DE3246507C2

DE3246507C2 - Hochtemperaturschutzschicht

Info

Publication number: DE3246507C2
Application number: DE3246507A
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: 1987-04-09
Also published as: JPS59118844A; DE3246507A1; US4537744A

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Hochtemperaturschutzschicht bestehend aus einer Legierung auf der Basis von Aluminium, Chrom und Nickel. Der Basiswerkstoff der Legierung enthält 8 bis 12 At % Aluminium und 18 bis 28 At % Chrom sowie einen restlichen Anteil bestehend aus Nickel. Erfindungsgemäß sind dem Basiswerkstoff der Legierung Silizium und Titan als Zusätze in solchen Mengen beigemischt, daß sich in Abhängigkeit von der jeweiligen thermischen Belastung, welcher die Legierung ausgesetzt ist, eine Passivdeckschicht aus Aluminiumoxid bzw. Chromoxid an der Oberfläche der Hochtemperaturschutzschicht ausbildet.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Hochtemperaturschutzschicht gemäß dem Oberbegriff des Pantentanspruches 1.
Solche Hochtemperaturschutzschichten kommen vor allem dort zur Anwendung, wo das Grundmaterial von Bauelementen aus warmfesten Stählen und/oder Legierungen, die bei Temperaturen über 600°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 aufgetragen. Bei Bauelementen von Gasturbinen sind Hochtemperaturschutzschichten von besonderer Bedeutung. Sie werden vor allem auf Lauf- und Leitschaufeln sowie auf Wärmestausegmente 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.
Aus der US-PS 40 54 723 ist eine Legierung bekannt, die zur Beschichtung von Bauteilen aus einer Superlegierung auf der Basis von Nickel oder Kobalt bestimmt ist. Die angegebenen Beispiele für die Legierung enthalten bis auf die Ausführungsbeispiele 19 und 20 einen Anteil an Chrom, der unter 18% liegt. Dies bedeutet, daß es auf der Oberfläche der Legierung nicht zur selbsttätigen Ausbildung einer Chrom-Oxid-Deckschicht kommt. Ferner werden die verwendeten Legierungen in einem Temperaturbereich eingesetzt, der über 900°C liegt, so daß auch hierdurch die Ausbildung einer Chromoxiddeckschicht ausgeschlossen ist. Die beiden Ausführungsbeispiele 19 und 20 gehen von Legierungen aus, die 19 bzw. 20 Gew.-% Chrom enthalten. Bei dem Ausführungsbeispiel 19 enthält die Legierung keinen Aluminiumanteil, so daß in jedem Fall die selbsttätige Ausbildung einer Aluminiumoxiddeckschicht nicht gegeben ist. Bei dem Ausführungsbeispiel 20 ist eine Legierung angegeben, die anstelle von Nickel Kobalt enthält. Bei diesen CoCrAlY kommt es nur unter Beimischung weiterer Zusätze zur selbsttätigen Ausbildung einer oxidhaltigen Deckschicht.
Aus der DE-OS 31 48 198 ist eine Hochtemperatur-Schutzschicht bekannt, die im wesentlichen Aluminium, Chrom, Nickel, Titan, Silizium, Eisen und Bor enthält. Diese Legierung bildet bei einer Temperatur von mehr als 900 °C auf ihrer Oberfläche selbsttätig eine Aluminiumoxiddeckschicht aus. Die Bildung einer Chromoxiddeckschicht bei Temperaturen unter 900°C ist nicht gegeben, da der Chromgehalt 17,5 Gew.-% nicht überschreitet.
Von Nachteil ist bei diesen Hochtemperatur-Schutzschichten, daß sie nur in einem ganz bestimmten Temperaturbereich selbsttätig eine oxidhaltige Deckschicht ausbilden. Für Bauelemente, die wechselnden Temperatureinflüssen ausgesetzt sind, insbesondere solche, bei denen der Temperaturbereich zwischen Werten unter 900°C und weit über 900°C variiert, ist ein optimaler Schutz nicht gegeben.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Schutzschicht zu schaffen, auf deren Oberfläche sich eine 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 gelöst.
Wird die erfindungsgemäße Hochtemperatur-Schutzschicht auf ein Bauelement aufgetragen, so bildet sich wenigstens eine Passivdeckschicht auf ihrer Oberfläche aus, sobald das Bauelement einer thermischen Belastung ausgesetzt wird. Diese Passivdeckschicht schützt die Hochtemperatur-Schutzschicht vor einem schnellen Verbrauch. Auf der Oberfläche der Hochtemperatur-Schutzschicht kann es erfindungsgemäß zur Ausbildung von zwei verschiedenen Passivdeckschichten kommen. Insbesondere ist die Ausbildung einer Passivdeckschicht aus Chromoxid und einer Passivdeckschicht aus Aluminiumoxid möglich. Welche der beiden Passivdeckschichten auf der Oberfläche ausgebildet wird, hängt von den Betriebsbedingungen, insbesondere dem Temperaturbereich ab, in welchem das Bauelement arbeitet. Liegt die Arbeitstemperatur des Bauelements unter bzw. um 900°C, so bildet sich auf der Hochtemperatur-Schutzschicht eine Passivdeckschicht aus Chromoxid aus. Dies ist deshalb möglich, da die Legierung aus der Hochtemperatur-Schutzschicht gebildet wird, die neben Nickel und Aluminium auch Chrom enthält. Durch die Zusätze von Titan und Silizium wird erreicht, daß das Chrom unter Betriebsbedingungen, bei denen die Hochtemperatur-Schutzschicht thermisch belastet wird, an die Oberfläche diffundiert. Dort bildet es unter der Einwirkung der sauerstoffhaltigen Atmosphäre die gewünschte Chromoxidpassivdeckschicht, die den eigentlichen Korrosions-Schutz bewirkt.
Wird nun das gleiche Bauelement den Einwirkungen einer Temperatur ausgesetzt, die über 900°C 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 höher als 900°C 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 Oberfläche der Hochtemperaturschutzschicht.
Erfindungsgemäß umfaßt der Basiswerkstoff der Legierung wenigstens 8 bis 12 Atom-% Aluminium und 18 bis 28 Atom-% Chrom. Eine bevorzugte Zusammensetzung der Legierung enthält 9 Atom-% Aluminium und 18 Atom-% 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 obenerwähnten Legierung 1 bis 6 Atom-% Silizium und 1 bis 3 Atom-% 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 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 Atom-% Chrom und 9 Atom-% Aluminium aufweist, wobei der restliche Anteil des Basiswerkstoffes aus Nickel besteht. Zusätzlich enthält der Basiswerkstoff 1 bis 6 Atom-% Silizium und 1 bis 3 Atom-% Titan. Die in Pulverform vorliegende Legierung weist vorzugsweise eine Korngröße von 45 µm 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 Hochtemperaturschutzschicht wird das Bauelement mit Hilfe des Plasmastrahls auf etwa 800°C erhitzt. Die Legierung, welche die Hochtemperaturschutzschicht 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 einer Wärmebehandlung unterzogen. Diese erfolgt in einem Hochvakuumglühofen. In ihm wird ein Druck p aufrechterhalten, der kleiner als 6,5 · 10^-3 mbar ist. Nach dem Erreichen des Vakuums wird der Ofen auf eine Temperatur von 1100°C aufgeheizt. Diese wird während etwa einer Stunde mit einer Toleranz von etwa +/-4°C gehalten. Anschließend wird die Heizung des Ofens abgeschaltet. Das beschichtete, wärmebehandelte Bauelement wird im Ofen langsam abgekühlt.

Claims

1. Hochtemperaturschutzschicht 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 9 Atom-% Aluminium und 18 Atom-% Chrom sowie einen restlichen Anteil, bestehend aus Nickel, enthält, und daß dem Basiswerkstoff wenigstens 1 bis 6 Atom-% Silizium und 1 bis 3 Atom-% Titan als Zusätze beigemischt sind, derart, daß bei einer Temperatur unterhalb 900°C eine Passivdeckschicht aus Chromoxid und bei einer Temperatur über 900°C eine Passivdeckschicht aus Aluminiumoxid über der aufgetragenen Legierung ausgebildet ist.

2. Hochtemperaturschutzschicht nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung mittels Plasmaspritzens im Niederdruckbereich auf die austenitischen Bauelemente aufgetragen ist.