DE3390480T1 - Verfahren zum Aufbringen von Hitzeschutzüberzügen auf Metalle und damit erhaltenes Produkt - Google Patents
Verfahren zum Aufbringen von Hitzeschutzüberzügen auf Metalle und damit erhaltenes ProduktInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf das Beschichten bzw. Überziehen
von Metallen, insbesondere von bestimmten Legierungen, mit einem Schutzüberzug, das als Hitze- oder Oxidationsschutz bzw.
-barriere wirkt.
Bestimmte, als Superlegierungen bekannte Legierungen werden als Komponenten für Gasturbinen eingesetzt, wobei Oxidationsf estigrkeit
sowie hohe mechanische Festigkeiten bei Hochtemperaturen verlangt werden. Um den nutzbaren Temperaturbereich zu erweitern,
müssen die Legierungen einen Überzug aufweisen, der als Hitzeschutz wirkt und die darunterliegende Legierung bzw. den
Träger gegen Hochtemperaturen und oxidierende Bedingungen, denen die Legierung bzw. der Träger ausgesetzt ist, zu isolieren
und zu schützen.
Für diesen Zweck wird Zirkoniumoxid eingesetzt, da seine Wärmeausdehnungszahl
derjenigen der Superlegierungen angenähert ist und es als sehr guter Hitzeschutz wirkt.
Bisher wird Zirkoniumoxid auf Trägerlegierungen durch Plasmaspritzen
aufgebracht. Das Zirkoniumoxid bildet eine Außen- oder Hitzeschutzschicht, und es wird mit einem zweiten Oxid wie etwa
Calcium-, Magnesium- oder Yttriumoxid teilstabilisiert. Mit dem
Plasmaspritzverfahren werden häufig ungleichmäßige Überzüge
erhalten, und es ist bei abgebogenen bzw. umgebördelten Flächen nicht oder nur unter Schwierigkeiten anwendbar. Durch Plasmaspritzen
aufgebrachte Überzüge weisen häufig Haarrisse und Nadellöcher auf, und die Haftung zwischen dem Überzug und dem
Träger kann schlecht sein. Alle diese Auswirkungen können zu katastrophalen Ausfallerscheinungen führen.
Hitzeschutzüberzüge können auch durch Bedampfen im Vakuum oder durch Elektronenstrahlbedampfen aufgebracht werden. Diese
Verfahren sind jedoch erstens kostspielig und zweitens auf das Aufbringen innerhalb der Sichtlinie beschränkt. Bei der Elektronenstrahlbedampfung
ergeben sich häufig Änderungen der Überzugszusammensetzungen infolge von unterschiedlichen Dampfdrücken
der Überzugsbestandteile. Beim Aufdampfen im Vakuum werden faserige und segmentartige Gefüge erzeugt, die von den
korrodierend wirkenden Arten durchsetzt werden können.
In der US-Patentanmeldung Serial-Nr. 325 504 (angemeldet 27.
Nov. 1981) ist ein Verfahren zum Aufbringen von Hitzeschutzschichten
auf Trägermetalle wie etwa Superlegierungen beschrieben, wobei das freie Metall, dessen Oxid den Hitzeschutz bilden
soll, auf das Trägermetall als physikalisches Gemisch oder als Legierung mit einem weiteren Metall wie etwa Nickel oder Cobalt
aufgebracht und der Metallüberzug einer selektiven Oxidation unterworfen wird, indem er bei hoher Temperatur einer Atmosphäre
mit sehr niedrigem Sauerstoffpartialdruck ausgesetzt wird. Unter diesen Bedingungen bildet das Metall, dessen Oxid
den Hitzeschutz bilden soll und das mit M. bezeichnet ist, ein
stabiles Oxid, während das mit M- bezeichnete andere Metall
kein stabiles Oxid bildet. Infolgedessen wird eine Schicht bzw. ein Überzug des Oxids von M. und des freien Metalls M
gebildet. Das Oxid von M. bildet den Hitzeschutz, und das freie
Metall M2 hat die Funktion, das Oxid mit dem Trägermetall zu
verbinden.
Dieses Verfahren, das häufig als Heißtauchen bezeichnet wird,
weil es vorteilhafterweise durch Tauchen der zu überziehenden Gegenstände in eine Legierungsschmelze aus IVL und M„
durchgeführt wird, ist leichter durchführbar als die Herstellung von Überzügen mit einem Metalloxid durch das Plasmaverfahren,
und der erhaltene Überzug haftet besser und ist eine bessere Hitzebarriere.
Gemäß der Erfindung ist eine Legierung oder ein physikalisches Gemisch aus erstens dem Metall M2 und zweitens Zirkonium,
Hafnium oder einem Gemisch oder einer Legierung der beiden Metalle vorgesehen. Wenn das zweite Metall Zirkonium ist,
können Metalle wie Yttrium, Calcium oder Magnesium in Mengen zugefügt werden, die zur Stabilisierung von Zirkoniumoxid in
der kubischen Form ausreichen. Das Metall M„ wird nach Maßgabe
der nachstehend beschriebenen Kriterien ausgewählt. Diese Legierung oder dieses Metallgemisch wird dann geschmolzen unter
Bildung einer gleichmäßigen Schmelze, die dann auf ein Trägermetall durch Tauchen desselben in die Schmelze aufgebracht
wird. Alternativ wird das Metallgemisch oder die Legierung in einen feinverteilten Zustand reduziert, und das feinverteilte
Metall wird in ein flüchtiges Lösungsmittel eingebracht unter Bildung eines dünnen Breis, der auf den Metallträger durch
Sprühen oder Streichen mit einer Bürste aufgebracht wird. Der resultierende Überzug wird erwärmt, so daß das flüchtige
Lösungsmittel verdampft und die Legierung oder das Metallgemisch auf die Trägeroberfläche aufschmilzt. (Wenn physikalische
Metallgemische eingesetzt werden, werden sie entweder durch Schmelzen in eine Legierung umgewandelt, oder sie werden bei
dem Aufschlämmverfahren gemäß der Erfindung in situ legiert.
Zirkonium und Hafnium bilden hitzebeständige Oxide, wenn sie einer Atmosphäre ausgesetzt werden, die eine geringe Sauerstoffkonzentration
hat, wie sie etwa durch ein Gemisch von Kohlendioxid und Kohlenmonoxid bei einer Temperatur von ca.
800 C erzeugt wird. Unter diesen Bedingungen bildet das Metall
M_ kein stabiles Oxid und bleibt entweder vollständig oder im
- * -
3 3 9 O 4 8 O
wesentlichen in der Form des nichtoxidierten Metalls. M„ ist
ferner mit dem Trägermetall kompatibel. Es ist zu beachten, daß M„ ein Gemisch oder eine Legierung aus zwei oder mehr Metallen
sein kann, die den Anforderungen an M5 genügen.
Zirkonium und Hafnium bieten einen oder mehrere der folgenden Vorteile gegenüber Cerium und weiteren Lanthanoidmetallen: Die
Überzüge haften erheblich stärker auf dem Träger. Bei Verwendung von Cerium besteht die Tendenz, daß nichtoxidiertes Metall
des Trägers in die Oxidschicht eingebaut wird. Dieses Metall kann dann, wenn der beschichtete Gegenstand einer oxidierenden
Atmosphäre ausgesetzt wird, oxidiert werden. Dies führt zu Abblättern und schließlich zu einem Reißen des Überzugs. Wenn
anstatt Cerium Zirkonium eingesetzt wird, tritt diese Schwierigkeit nicht oder nur in stark verringertem Maß auf.
Wenn auf die Trägerlegierung ein Überzug geeigneter Dicke entweder im Tauchbeschichtungsverfahren oder im Aufschlämmungsverfahren
aufgebracht ist (und nachdem, im letztgenannten Fall, das Lösungsmittel verdampft und die Zirkonium- und/oder
Hafnium-M~-Legierung oder das entsprechende Gemisch auf die Trägeroberfläche aufgeschmolzen ist), wird die Oberfläche einer
selektiv oxidierenden Atmosphäre, etwa einem Gemisch aus Kohlendioxid
und Kohlenmonoxid (nachstehend als CO2/CO bezeichnet)
ausgesetzt. Ein typisches CO2/CO-Gemisch enthält 99 % C0„ und
1 % CO. Wenn ein solches Gemisch auf eine hohe Temperatur erwärmt wird, resultiert ein Gleichgewichtsgemisch entsprechend
der folgenden Gleichung:
CO + 1/2 O2 ^=S CO2.
Die Sauerstoffkonzentration in diesem Gleichgewichtsgemisch ist
sehr gering, z. B. beträgt bei 827 0C der Gleichgewichts-
-14
Sauerstoffpartialdruck ca. 2 χ 10 at, reicht jedoch bei einer solchen Temperatur aus, um eine selektive Oxidation von Zirkonium und/oder Hafnium zu bewirken. Es können auch andere oxidierende Atmosphären angewandt werden, z. B. Gemische aus
Sauerstoffpartialdruck ca. 2 χ 10 at, reicht jedoch bei einer solchen Temperatur aus, um eine selektive Oxidation von Zirkonium und/oder Hafnium zu bewirken. Es können auch andere oxidierende Atmosphären angewandt werden, z. B. Gemische aus
Sauerstoff und Inertgasen wie Argon oder Gemische aus Wasserstoff und Wasserdampf, die Sauerstoffpartialdrücke ergeben, die
unter den Dissoziationsdrücken der Oxide der in M„ enthaltenen
Elemente und über dem Dissoziationsdruck von Zirkoniumoxid und
Hafniumoxid liegen. Ein Gemisch aus Wasserstoff, Wasserdampf und einem Inertgas wie Argon wird sogar bevorzugt, da es kein
unerwünschtes Carbid erzeugt. Solche Carbide können bei höheren Temperaturen, z. B. bei 627 C, aufgrund der Boudouard-Reaktion
resultieren:
2 CO C + CO2-
Je nach dem Einsatzzweck und der Art der Trägerlegierung wird das Metall M_ bevorzugt aus der Tabelle I ausgewählt.
Tabelle I (M_)
Nickel | Ni |
Cobalt | Co |
Eisen | Fe |
Es ist zu beachten, daß zwei oder mehr aus der Tabelle I ausgewählte
Metalle zur Bildung der M_-Kömponente der Überzugslegierung bzw. des Überzugsgemischs eingesetzt werden können.
In derartigen Legierungen oder Gemischen können geringe Mengen Aluminium, Yttrium und/oder Chrom vorhanden sein. Allgemein
kann jedes Metall M- eingesetzt werden, das bei hoher
Temperatur in Anwesenheit einer sehr geringen Sauerstoffkonzentration
kein stabiles Oxid bildet, das das Zirkonium- und/oder Hafniumoxid mit dem Träger verbindet und sich für das
gewünschte Einsatzgebiet eignet. Diese Metalle umfassen auch Platin, Palladium, Ruthenium oder Rhodium.
Die Anteile an Zirkonium, Hafnium (oder Gemischen oder Legierungen
beider) und M2 können zwischen ca. 50-90 Gew.-%
Zirkonium und/oder Hafnium und ca. 50-10 Gew.-% M^, bevorzugt
zwischen ca. 70-90 Gew.-% Zirkonium und/oder Hafnium und ca. 30-10 Gew.-% M.r liegen. Die aus einem Gemisch von Zirkonium
und/oder Hafnium mit M2 (plus etwaige geringe Mengen von
Legierungszusätzen) resultierende Legierung muß einen Schmelzpunkt
haben, der ausreichend niedrig ist, so daß die Eigenschaften der Trägerlegierung nicht verschlechtert werden, wenn
sie der Tauchtemperatur ausgesetzt wird. Der Anteil an Zirkonium und/oder Hafnium sollte ausreichend sein, um eine äußere
Oxidschicht zu bilden, die zur Bildung eines Hitzeschutzes ausreicht und die Oxidation des Trägers verhindert, und der
Anteil an M. sollte ausreichen, um den Überzug mit dem Träger zu verbinden.
Die Tabelle II gibt Beispiele von Trägerlegierungen an, auf die die Schutzüberzüge gemäß der Erfindung aufgebracht werden. Es
ist zu beachten, daß die Erfindung ganz allgemein bei Superlegierungen und speziell bei Superlegierungen auf Cobalt-und
Nickelbasis Anwendung findet.
Superlegierung auf Nickelbasis IN 738
Superlegierung auf Cobaltbasis MAR-M509
NiCrAlY-Bindungs-Überzugs-Legierung
CoCrAlY-Bindungs-Überzugs^Legierung
Die Erfindung kann ferner mit jedem Metallträger angewandt werden, der durch einen Überzug verbessert wird, der am Träger
haftet und einen Hitzeschutz und/oder Schutz gegenüber Oxidation durch die Umgebung bildet. Das Metall bzw. die Metalle des
Trägers sollten natürlich edler als Zirkonium oder Hafnium
sein, so daß sie unter den Bedingungen der selektiven Oxidation keine stabilen Oxide bilden.
Das Tauchbeschichtungsverfahren wird bevorzugt. Dabei wird eine
Zirkonium- und/oder Hafnium-M^-Legierungsschmelze bereitgestellt,
und die Trägerlegierung wird in ein Bad der Überzugslegierung getaucht. Die Temperatur der Legierung sowie die
Zeit, während der der Träger in der Legierungsschmelze gehalten wird, bestimmen die Überzugsdicke. Die Dicke des aufgebrachten
Überzugs kann zwischen 100 und 1000 /am liegen. Bevorzugt wird
ein Überzug von ca. 300-400 /am aufgebracht. Selbstverständlich
wird die Überzugsdicke durch die Anforderungen an einen bestimmten Endverwendungszweck bestimmt.
Das Breiaufschmelzverfahren bietet den Vorteil, daß dabei die
Überzugslegierung bzw. das Überzugsmetallgemisch verdünnt wird und somit eine bessere Einstellung der auf den Träger aufgebrachten
Überzugsdicke möglich ist. Typischerweise kann dieses Verfahren wie folgt angewandt werden: Eine Legierung oder ein
Gemisch aus Zirkonium und/oder Hafnium mit M„ wird mit einem
Testbenzin und einem organischen Klebstoff bzw. Zement wie etwa Nicrobraz 500 (Well Colmonoy Corp.) und MPA-60 (Baker Coaster
Oil Co.) vermischt. Typische Mengenverhältnisse des dünnen Breis sind: Überzugsmetall 45 Gew.-%, Testbenzin 10 Gew.-% und
organischer Zement 45 Gew.-%. Dieses Gemisch wird dann z.B. in einer Keramikkugelmühle unter Verwendung von Aluminiumoxidkugeln
vermählen. Nach Abtrennen des resultierenden dünnen Breis von den Aluminiumoxidkugeln wird der Brei (unter Rühren,
um eine gleichmäßige Verteilung der Legierungsteilchen im flüssigen Medium zu gewährleisten) auf die Trägeroberfläche
aufgebracht und das Lösungsmittel z. B. in Luft bei Umgebungstemperatur oder einer etwas höheren Temperatur verdampft. Der
Metall- und Zement-Rückstand wird dann auf die Oberfläche aufgeschmolzen, indem er auf eine geeignete Temperatur von z. B.
1000 0C erhitzt wird, und zwar in einer Schutzgasatmosphäre wie
etwa Argon, das über heiße Calciumstückchen geleitet wurde, um Sauerstoff zu binden. Der Zement zersetzt sich, und die Zersetzungsprodukte
werden verdampft.
Das folgende Beispiel dient der weiteren Erläuterung der Erfindung
und ihrer Vorteile.
Die Zusammensetzung der Überzugslegierung war 70 Gew.-% Zr, 25 Gew.-% Ni, 5 Gew.-% Y. Yttrium wurde der Zr-Ni-Überzugslegierung
als Dotierstoff zugesetzt zur Stabilisierung von in der kubischen Form während der selektiven Oxidationsphase
sowie auch deshalb, weil einige Anzeichen dafür sprechen, daß Yttrium die Haftung von plasmagespritzten ZrO^-Überzügen
verbessert. Das Gewichtsverhältnis von Zr zu Ni in dieser Legierung war 2,7, was gleich demjenigen der eutektischen
NiZr2-NiZr-Zusammensetzung ist. Die 5 Gew.-% Y änderten die
Schmelztemperatur des Zr-Ni-Eutektikums nicht wesentlich. Die Trägerkörper wurden in die Überzugslegierungsschmelze bei
1027 0C getaucht.
Zwei Trägerlegierungen wurden mit Überzügen versehen, und zwar MAR-M509 und Co-10%Cr-3%Y. Die Resultate zeigen, daß die mit
diesem Verfahren aufgebrachten Überzüge auf ZrO„-Basis sehr gut
haften, sehr gleichmäig sind und eine sehr geringe Porosität
aufweisen. Zwischen dem Überzug und der Trägerlegierung wurde praktisch keine Diffusionszone beobachtet. Die Überzugsschicht
wurde vollständig über der Trägeroberfläche ausgebildet, und ihre Zusammensetzung wurde durch die Trägerbestandteile nicht
merklich geändert.
Mittels energiedispersiver Rontgenspektroskopie (EDRS) wurden
Konzentrationsprofile von verschiedenen Elementen innerhalb der Zr-reichen Schicht nach dem Heißtauchen der Trägerlegierung
(Co-IOCr-SY) in die Überzugslegierung und anschließendem Ver-
-M-
_ > _ ■ q Q α η λ ρ η
guten erstellt. Die Überzugssschicht hatte eine Dicke von ca.
150-160·pm mit einer relativ dicken (= 20 pm) Diffusionszone an
der Grenzfläche mit dem darunterliegenden Träger. Cr war innerhalb der Oberzugsschicht praktisch nichtexistent, und eine
geringe Menge Co diffundierte vom Träger durch den Überzug bis
zur Außenfläche.
Selektive Oxidation wurde bei 1027 C durchgeführt, und zwar in
einem Gasgemisch aus Wasserstoff/Wasserdampf/Argon in geeigneten Anteilen zur Erzeugung eines Sauerstoffpartialdrucks von
-17
ca. 10 at. Bei diesem Druck sind sowohl Nickel als auch Cobalt in der metallischen Form thermodynamisch stabil. Der mit diesem Verfahren erzeugte Belag besteht aus einer äußeren Oxidschicht von ca. 40 pm Dicke und einer inneren, Unterbelag-Verbundschicht von ca. 120 pm Dicke. Der äußere.Belag enthielt nur ZrO9 und Y-O.,. Der Unterbelag bestand ebenfalls aus einer ZrO_/Y 0.,-Matrix, enthielt jedoch eine große Anzahl feinverteilter metallischer Teilchen, und zwar im wesentlichen Nickel und Cobalt.
ca. 10 at. Bei diesem Druck sind sowohl Nickel als auch Cobalt in der metallischen Form thermodynamisch stabil. Der mit diesem Verfahren erzeugte Belag besteht aus einer äußeren Oxidschicht von ca. 40 pm Dicke und einer inneren, Unterbelag-Verbundschicht von ca. 120 pm Dicke. Der äußere.Belag enthielt nur ZrO9 und Y-O.,. Der Unterbelag bestand ebenfalls aus einer ZrO_/Y 0.,-Matrix, enthielt jedoch eine große Anzahl feinverteilter metallischer Teilchen, und zwar im wesentlichen Nickel und Cobalt.
Obwohl Nickel und Cobalt gleichmäßig innerhalb des äußeren
Bereichs des Metallüberzugs nach dem Heißtauchen und Vergüten
und vor der Umwandlung von Zr und Y in Oxide vorhanden waren, waren sie in demselben Bereich nach der selektiven Oxidationsbehandlung
praktisch nicht mehr existent. Die röntgenspektrografische Analyse der Oberfläche der Probe zeigte, daß diese
äußere Oxidschicht ausschließlich aus einer Mischung von monoklinem
Zirkoniumoxid und Yttriumoxid gebildet wurde.
Es wird angenommen, daß die Endverteilung von Elementen durch die Doppel-Überzugssschicht und die anschließende Oxidmorphologie
zum großen Teil durch die Bedingungen der den letzten Behandlungsschritt darstellenden selektiven Oxidation bestimmt
sind. Es wird angenommen, daß die Oxidation wie folgt vor sich geht: Vor der selektiven Oxidationsbehandlung besteht die
Schmelzezusammensetzung an der Probenoberfläche weitgehend aus Zr und Ni, geringeren Konzentrationen von Y und Co und prak-
tisch keinem Cr. Nachdem Sauerstoff mit
-17
P =. 10 at zugeführt ist, diffundieren Zr- und Y-Atome sehr
P =. 10 at zugeführt ist, diffundieren Zr- und Y-Atome sehr
schnell in der Schmelze in Richtung zur äußeren Oxid/Metall-Grenzfläche
unter Bildung eines festen ZrO_/Y„O_-Gemischs. Die
edleren Elemente (Ni und Co) sind dann aus der Schmelze ausgeschlossen
und sammeln sich in der Metallseite der Grenzfläche. Die Zr-Verarmung aus dieser Schmelze erhöht den Nickelanteil
der Legierung und macht sie feuerbeständiger* Nachdem die Überzugslegierung erstarrt ist, werden die Atome sämtlicher
Elemente in verbleibenden metallischen Teil des Überzugs weniger beweglich als im geschmolzenen Zustand, und die weitere
Oxidation läuft als Festzustands-Reaktion ab. Das fortgesetzte Wachstum von ZrO„/Y_O-, unterstützt weiterhin den gegenläufigen
Festzustands-Diffusionsprozeß in der metallischen Seite der
Grenzfläche, wobei Zr und Y zur Grenzfläche hin diffundieren, während Nickel und Cobalt von der Grenzfläche weg diffundieren.
Das Profil zeigte, daß unter der äußeren ZrO^/Y-O^-Schicht
Nickel und Cobalt als kleine Teilchen vorhanden sind, die in die Unterbelags-Verbundschicht eingebettet sind. Der Grund für
das Vorhandensein in solcher Verteilung innerhalb einer Matrix des ZrO /Y O -Unterbelags ist nicht klar ersichtlich. Es ist zu
beachten, daß der Massebruchteil an Nickel in der Überzugsschicht vor der Oxidation ca. 25 % beträgt, was ca. 20 % des
Volumenbruchteils entspricht. Dieser Anteil erhöht sich in dem Unterbelag nach Ausschluß von Nickel aus dem äußeren
ZrO„/Y 0.,-Belag während der selektiven Oxidation. Es wird
erwartet, daß diese erhebliche Nickelmenge, die zu dem aus dem Träger diffundierten Cobalt hinzugefügt wird, in der Unterbelags-Schicht
des Überzugs während der Beendigung der selektiven Oxidation von Zr und Y eingeschlossen bleibt.
Die Konfiguration und Verteilung von Nickel und Cobalt innerhalb
dieser Zone wird vermutlich durch die Oxidationsmechanismen von Zr und Y in der Unterbelagszone bestimmt. Dabei gibt es
zumindest zwei Möglichkeiten:
/13 - >-τ - 3 3 9
η ι ο η
(1) Die Konzentration an Nickel und Cobalt in dem vor der Grenzfläche befindlichen Metall wird sehr hoch infolge ihres
Ausschlusses aus dem ZrO2/Y„O-.-Belag, der ursprünglich aus der
Schmelze gebildet wird. Eine gewisse Rückdiffusion beider Elemente im Festzustand setzt sich wahrscheinlich während der
weiteren Behandlung fort, aber die fortschreitende Oxid/Metall-Grenzfläche kann möglicherweise über den verbleibenden Anteil
beider Elemente hinweggehen.
(2) Es tritt ein Übergang von innerer zu äußerer Oxidation auf. Nach der ursprünglichen Bildung einer Zr0„/Y90_-Schicht an der
Oberfläche können sich innere ZrO^-Teilchen vor der Grenzfläche
ausbilden, wenn die Konzentration an gelöstem Sauerstoff und Zirkonium das für ihre Keimbildung erforderliche Löslichkeitsprodukt
überschreitet. Dann können diese Teilchen die weitere Zr-O-Reaktion zum Teil blockieren, weil die Diffusion von
Sauerstoffatomen zur Reaktionsfront (der inneren Oxidation) nur
in den Kanälen zwischen den vorher ausgefällten Teilchen auftreten kann. Die weitere Reaktion an der Reaktionsfront kann
entweder durch seitliches Wachstum der existierenden Teilchen erfolgen, was eine sehr geringe Übersättigung erfordert, oder
sie kann durch Keimbildung eines neuen Partikels erfolgen. So kann das seitliche Wachstum der Teilchen zu einer kompakten
Oxidschicht führen, die innerhalb desselben Bereichs vorhandene metallische Bestandteile einschließen kann.
Ganz allgemein und unabhängig von dem ablaufenden Mechanismus bei der Bestimmung der Morphologie und Verteilung der metallischen
Teilchen innerhalb der Unterbelagszone ist die Ausbildung einer solchen Keramik/Metall-Verbundschicht zwischen der äußeren
,Keramikschicht und dem inneren Metallträger äußerst vorteilhaft,
und zwar wegen ihrer Fähigkeit, die Spannungen zu reduzieren, die aus der Fehlanpassung der Wärmeausdehnungszahlen
des äußeren Keramiküberzugs und des inneren Metallträgers resultieren.
339048Q
Die Haftung des Überzugs wurde bestimmt, indem mehrere Testproben zehn Wärmezyklen zwischen 1000 0C und Umgebungstemperatur
in Luft ausgesetzt wurden. Der ZrO„/Y„O^.-Überzug auf der
Co-IOCr-SY-Legierung blieb vollständig haften und zeigte keine
Anzeichen von Abblättern oder Rissen. Eine sorgfältige metallurgische Untersuchung über die Gesamtlänge der Probe ergab
keine Anzeichen von Rissen. Der Überzug erscheint vollständig porenfrei. Ferner ergab die Mikrosondenanalyse über diesen
Abschnitt, daß die Verteilungen von Zr, Y, Ni, Co und Cr im
wesentlichen die gleichen wie bei den Proben waren, die diesen Zyklen nicht unterworfen wurden. Die Überzüge sind nicht auf
sämtlichen Trägern gleich wirksam. Z. B. blätterte ein gleichartiger
ZrO2/Y2O^-Überzug auf der MAR-M509-Legierung nach dem
zweiten Zyklus ab.
Aus der vorstehenden Erläuterung ist somit ersichtlich, daß ein neues und vorteilhaftes Verfahren sowie ein damit herstellbares
Produkt angegeben werden.
Claims (1)
- Patentansprüche(a) Bereitstellen eines zu beschichtenden Trägermetalls,(b) Bereitstellen einer Legierung bzw. eines Gemische aus (1) Zirkonium und/oder Hafnium und (2) wenigstens eines
weiteren Metalls M„, das bei hoher Temperatur in einer
Atmosphäre mit sehr niedrigem Sauerstoffpartialdruck kein stabiles Oxid bildet und mit wenigstens einem Bestandteil des Trägers bei Wärmebehandlung des beschichteten Materials eine Legierung bildet,(c) Aufbringen der Legierung bzw. des Gemischs auf eine Trägeroberfläche unter solchen Bedingungen, daß die Oberfläche mit einer Legierung aus Zirkonium und/oder Hafnium mit M2 beschichtet wird, und(d) Durchführen selektiver Oxidation des Zirkoniums und/oder Hafniums in dem Überzug bei hoher Temperatur ohne wesentliche Oxidation von M_,(e) wobei das Verhältnis von Zirkonium und/oder Hafnium zu M„ in der Überzugslegierung erheblich ist und zur Bildung eines Überzugs genügt, der ausreichend Zirkonium- und/oder Hafniumoxid enthält, so daß er als starker Hitzeschutz wirkt.2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägermetall edler als Zirkonium und Hafnium ist.3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Überzug anschließend an Schritt (d) vergütet wird.4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägermetall eine Superlegierung ist.5. Verfahren nach Anspruch 2,d ad urch gekennzeichnet, daß das erstgenannte Metall Zirkonium ist.6. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das erstgenannte Metall Hafnium ist.7. Verfahren nach Anspruch 2,dadurch gekennzeichnet, daß M_ vorwiegend Nickel, Cobalt oder Eisen ist.8. Beschichteter Metallkörper, gekennzeichnet durch(a) einen Metallträger, dessen Oberfläche bei hoher Temperatur in oxidierender Atmosphäre einer Oxidation und Zersetzung unterliegt, und(b) einen Schutzüberzug, der haftend auf wenigstens einer Oberfläche der Trägerlegierung aufgebracht ist, wobei der Überzug eine Außenschicht aus einem Zirkonium-und/oder Hafniumoxid und eine Innenschicht aus wenigstens einem Metall M , das mit dem Träger haftend verbunden ist, aufweist und das Metall M_, wenn es bei hoher Temperatur einer Atmosphäre mit sehr niedrigem Sauerstoffpartialdruck ausgesetzt wird, kein stabiles Oxid bildet..9. Beschichteter Metallkörper nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger edler als Zirkonium und Hafnium ist.10. Beschichteter Metallkörper nach Anspruch 9, dadurch, gekennzeichnet, daß der Metallträger eine Superlegierung ist.11. Beschichteter Metallkörper nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Oxid vorwiegend Zirkoniumoxid ist.12. Beschichteter Metallkörper nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet , daß M, vorwiegend Nickel, Cobalt oder Eisen ist.
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