DE3407293C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen festhaftender NbC-Schichten auf aus Ni-Cr-Legierungen bestehenden Bauteilen, die der He-Atmosphäre eines Hochtemperaturreaktors mit in den Primärkreislauf integriertem Reaktionsapparat zur Erzeugung von Spaltgas ausgesetzt sind.

Aus der FR-PS 15 44 479 ist die Karburierung von Niob in einer kohlenstoffhaltigen Atmosphäre bekannt, die zu einer Niobcarbid-Bildung führt.

In einer normalen Atmosphäre bilden sich auf der ungeschützten Oberfläche von Bauteilen aus einem metallischen Werkstoff Oxidschichten, die als Diffusionsbarriere wirken und somit verhindern, daß zwei miteinander im Kontakt stehende Bauteile bei hohen Temperaturen und Drücken an den Berührungsstellen verschweißen. In einer He-Atmosphäre liegt jedoch nur ein sehr geringes Sauerstoffpotential vor, und die Entstehung schützender Oxidschichten ist daher nicht möglich. So besteht die Tendenz bei metallischen Werkstoffen, beispielsweise Nickel- Basiswerkstoffen, oberhalb einer Temperatur von 0,5 Tm (Tm = absoluter Schmelzpunkt des betreffenden Werkstoffes) zu verschweißen. Maßgebend für diesen Vorgang sind neben der Temperatur (die in der He-Atmosphäre des eingangs beschriebenen Hochtemperaturreaktors 950° C beträgt) noch die Zeit und die Belastung durch Druck, d. h. die Diffusionsverschweißung ist eine Funktion von Temperatur, Zeit und Belastung.

Um das Diffusionsverschweißen an Kontaktstellen von aus Ni-Cr- Legierungen hergestellten Bauteilen in einer He-Atmosphäre zu verhindern und auch Reibung und Verschleiß an diesen Stellen auf ein Minimum zu reduzieren, ist es seit langem bekannt, die Bauteile mit NbC zu beschichten. NbC, dessen Schmelzpunkt im Bereich von 3700 bis 3800° C liegt, hat die Struktur eines kubischen NaCl-(B₁)-Typs mit der Gitterkonstanten a = 0,4469 µm. Die Löslichkeit von Kohlenstoff in festem Niob beträgt 0,02%. NbC zeichnet sich durch eine hohe Verschleißfestigkeit aus und ist aufgrund seiner niedrigen Bildungswärme als Diffusionsbarriere geeignet, verhindert also das Verschweißen von Bauteilen in einer He-Atmosphäre.

Die Beschichtung der Bauteile mit NbC erfolgt durch thermisches Spritzen. In zahlreichen Reibversuchen und Verschleißprüfungen hat sich jedoch gezeigt, daß bei Temperaturen oberhalb von 1100° K die Haftfestigkeit der auf diese Weise auf Ni-Cr-Legierungen aufgebrachten NbC-Schichten nicht ausreichend ist, um einen dauernden Verbund zwischen Schicht und Bauteil zu gewährleisten.

Wie eingangs beschrieben, bezieht sich die Erfindung auf einen He-gekühlten Hochtemperaturreaktor, in dessen Primärkreislauf mindestens ein Reaktionsapparat zur Erzeugung von Spaltgas integriert ist, beispielsweise ein Röhrenspaltofen. In einem solchen Reaktionsapparat wird das im Reaktorkern auf 950° C aufgeheizte Helium direkt - d. h. unter Umgehung eines Zwischenkreislaufs - zur Spaltung eines CH₄/H₂O-Gemisches ausgenutzt. Das unter Einwirkung eines Katalysators entstehende Spaltgas weist die Besandteile H₂, CO und CO₂ auf. Das Helium nimmt bei seinem Durchgang durch den Reaktionsapparat geringe Mengen der an dem Spaltungsprozeß beteiligten Stoffe auf, so daß es die folgenden Verunreinigungen enthält (in Partialdrücken angegeben):
pH₂O = 1,5 ± 1 µbar, pH₂ = 500 ± 50 µbar, pCH₄ = 20 ± 5 µbar,
pCO = 15 ± 5 µbar, pN₂ 5 µbar und geringe Spuren von CO₂.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Herstellen von NbC-Schichten auf Ni-Cr-Legierungen anzugeben, mit dem in der oben beschriebenen He-Atmosphäre auch bei Temperaturen von 950° C ein fester Verbund zwischen der NbC- Schicht und dem zu schützenden Bauteil erreicht wird.

Gemäß der Erfindung wird die gestellte Aufgabe dadurch gelöst, daß die NbC-Schichten durch Aufbringen einer Schicht aus Niob auf die Oberflächen der Bauteile und durch nachfolgende Karburierung dieser Schicht mit Hilfe des in der He-Atmosphäre vorhandenen CH₄ gebildet werden.

Das vorgeschlagene Verfahren, bei dem die schützende Schicht also "in situ" entsteht, ist mit dem Vorteil verbunden, daß sich zwischen der aufgebrachten Nb-Schicht und der Ni-Cr-Legierung Mischkristalle bilden, da Nickel bei sehr hohen Temperaturen (1270° K) bis zu 20% Niob aufnehmen kann. Ein weiterer Vorteil ist, daß die entstandene NbC-Schicht "selbstheilend" ist. Die Bildung der NbC-Schicht erfolgt aus der Gasphase, wodurch ein fast perfekter Schichtaufbau mit stabiler Struktur erreicht wird. Es treten daher auch bei hohen Temperaturen keine Probleme der Haftfestigkeit auf, wie es bei Aufbringen einer NbC-Schicht durch thermisches Spritzen der Fall ist.

Durch Röntgenuntersuchungen konnte nachgewiesen werden, daß sich in einer Niob-Folie, die 3000 Stunden lang einer He-Atmosphäre mit den oben erwähnten Verunreinigungen und mit einer Temperatur von 950° C ausgesetzt war, eine Schicht NbC von mehr als 3 µm mit der Gitterkonstanten a = 0,4469 µm gebildet hatte.

Vorzugsweise wird für die auf die Ni-Cr-Legierungen aufzubringende Niob-Schicht eine Dicke von 80 bis 100 µm gewählt. Eine solche Schicht ist ausreichend, um die Funktionsfähigkeit der entstehenden NbC-Schicht als Diffusionsbarriere und Verschleißschutz sicherzustellen.

Das Aufbringen der Niob-Schicht auf die Ni-Cr-Legierungen kann durch Auflagenschweißung oder durch Aufspritzen erfolgen.

Claims (4)

1. Verfahren zum Herstellen festhaftender NbC- Schichten auf aus Ni-Cr-Legierungen bestehenden Bauteilen, die der He-Atmosphäre eines Hochtemperaturreaktors mit in den Primärkreislauf integrierten Reaktionsapparat zur Erzeugung von Spaltgas ausgesetzt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die NbC-Schichten durch Aufbringen einer Schicht aus Niob auf die Oberflächen der Bauteile und durch nachfolgende Karburierung dieser Schicht mit Hilfe des in der He-Atmosphäre vorhandenen CH₄ gebildet werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Nb-Schicht mit einer Dicke von mindestens 80 µm aufgebracht wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Nb-Schicht durch Auflagenschweißung aufgebracht wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Nb-Schicht auf die Bauteile aufgespritzt wird.