DE3907625C1 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Bauteil aus einem Grundwerkstoff auf Nickel oder Kobaltbasis mit einer Schutzschicht aus chemisch gleichem Werkstoff gegen Oxydation, Korrosion und Thermoermüdung.

Aus der DE-OS 35 22 646 ist ein Formkörper aus einem metallischen Werkstoff bekannt, der von einem fest aufge­ brachten Auflagenwerkstoff aus artgleichem Werkstoff vollständig oder teilweise überdeckt ist. Das Aufbringen der Auflageschicht wird durch Plattierung, Sprengplattierung oder Aufspritzen erreicht. Derartig aufgebrachte artgleiche Beschichtungen haben bei Nickel- oder Kobaltbasiswerkstoffen den Nachteil, daß sie keine ausreichende Haftung auf dem Grundwerkstoff bei mechanisch-thermischer Belastung auf­ weisen.

Hochtemperaturfeste Superlegierungen auf Nickel- oder Kobalt­ basis wurden für den Einsatz im Turbinenbau entwickelt. Be­ sonders hohen Belastungen ist dabei der Schaufelwerkstoff aus­ gesetzt, der nicht nur den hohen Temperaturen (über 950°C) in der Turbine standhalten, sondern auch eine hohe Kriech­ festigkeit besitzen muß.

Es ist aus der US-PS 45 32 191 bekannt, Schutzbeschichtungen aufzubringen, die in der Beschichtungstechnologie als MCrAlX,Y-Familie (Metall, Chrom, Aluminium, X = Seltene Erden, Y = Yttrium) bezeichnet werden und die die Oberflächeneigen­ schaften durch ihren hohen Anteil an Chrom und Aluminium, die ihrerseits stabile Oxyde beim Betreiben der Turbine bilden, verbessern und über das seltene Erd-Metall wie in US-PS 47 43 514 die Haftung der Oxidschicht auf der Schichtober­ fläche heraufsetzen. Nachteilig wirken sich Diffusionsvorgänge aufgrund der unterschiedlichen Konzentration beiderseits der Grenzschicht zwischen Schichtoberfläche und Beschichtung aus, die zu Diffusionsporen im grenzschichtnahen Bereich führen. Darüber hinaus neigen die MCrAlX,Y-Schichten nachteilig zur Thermoermüdung.

Eine weitere technisch bekannte Lösung ist das Bilden von chrom- und/oder aluminiumreichen Diffusionsschichten an der Oberfläche des Grundwerkstoffes durch Pulverpackzementieren und/oder Gasdiffusionsbeschichten. Aufgrund der höheren Härte dieser Schichten mit Intermetallischen Phasen wird die Dauerschwingfestigkeit der Bauteile nachteilig bis zu 30% herabgesetzt. Da das Wärmedehnungsverhalten nicht dem Grund­ werkstoff angepaßt ist, besteht für das Bauteil eine hohe Mikrorißgefahr, die mit zunehmender Schichtdicke ansteigt. Deshalb muß die Schichtdicke nachteilig auf kleiner 100 µm begrenzt werden.

Bei den bekannten Beschichtungen werden die oxidations- und korrosionsempfindlichen Komponenten des Grundwerkstoffes wie Vanadium und Titan vermieden und stabile Oxidbildner wie Alu­ minium bis beispielsweise 20% und Chrom bis beispielsweise 40% zulegiert. Immer umfangreicher und komplizierter wird dabei die Abstimmung der Zusammensetzung der Beschichtung auf die zu beschichtende Superlegierung auf Kobalt- oder Nickelbasis, um Haftungsprobleme zu überwinden oder Diffu­ sionsvorgänge zu minimieren oder schützende stabile Oxide an der Oberfläche aufzubauen.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Bauteil aus einem Grund­ werkstoff auf Nickel- oder Kobaltbasis mit einer Schutzschicht anzugeben, das eine höhere Thermoermüdungs-, Oxydations- und Korrosionsbeständigkeit bei Temperaturen über 800°C auf­ weist und das die Nachteile dieser Beschichtungen überwindet sowie ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Bauteils anzugeben.

Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, daß die Schutzschicht wesentlich feinkörniger als der Grundwerkstoff strukturiert ist und die unterste Lage der feinkörnigen Beschichtung die gleiche Kristallorientierung wie die großvolumigen Kristallite des Grundwerkstoffes an der Beschichtungsgrenze aufweisen.

Die Probleme und Nachteile wie sie im Stand der Technik bestehen, treten nicht mehr auf, da der Werkstoff des Grund­ materials für eine artgleiche Beschichtung eingesetzt wird, so daß Diffusionsvorgänge ausbleiben, und keine Diffusions­ poren gebildet werden. Ein Abplatzen von Schutzschichtpartikeln wird hiermit vorteilhaft überwunden.

Mit der Ausrichtung der untersten Lage der feinkörnigen Be­ schichtung nach der Kristallorientierung der großvolumigen Kristalle des Grundwerkstoffes an der Beschichtungsgrenze wird vorteilhaft eine intensive Verzahnung zwischen Grundwerkstoff und Beschichtung erreicht, so daß sich die Haftung verbessert und eine höhere Thermoermüdungsbeständigkeit erzielt wird.

Durch eine gleichbleibende Legierungszusammensetzung im Korn­ volumen wird vorteilhaft eine gleichmäßige stabile und schützende Oxidschicht an der Kornoberfläche beim Einsatz derartiger Bau­ teile im oxydierenden Heißgasstrom von beispielsweise Turbinen gebildet. Da die Korngrenzen dieser Beschichtung weniger Korngrenzenausscheidungen aufweisen als der Grund­ werkstoff wird vorteilhaft die Korngrenzenkorrosion ver­ mindert.

Der bevorzugte Korrosionsangriff an Korngrenzen und die damit verbundene Rißanfälligkeit wird durch die wesentlich feinkör­ nigere Struktur gegenüber dem Grundwerkstoff behindert, da sich vorteilhaft keine großflächigen Korrosionskerben aus­ bilden können.

Diese Vorteile tragen zusammen dazu bei, daß die Thermoer­ müdung derartiger Bauteile vermindert und die Korrosions­ und Oxydationsbeständigkeit verbessert wird.

Die Artgleichheit des Beschichtungswerkstoffes mit dem Grund­ werkstoff führt dazu, daß keine Wärmedehnungsunterschiede zwischen Schicht- und Grundwerkstoff auftreten und somit keine Thermospannungen induziert werden. Deshalb ist vorteil­ haft die Schichtdicke nicht auf kleiner 100 µm begrenzt.

Vorzugsweise setzt sich der Grund- und Beschichtungswerkstoff aus folgenden Elementen zusammen:

13 bis 17 Gew.-% Co
8 bis 11 Gew.-% Cr
5 bis 6 Gew.-% Al
4,5 bis 5 Gew.-% Ti
2 bis 4 Gew.-% Mo
0,7 bis 1,2 Gew.-% V
0,15 bis 0,2 Gew.-% C
0,01 bis 0,02 Gew.-% B
0,03 bis 0,09 Gew.-% Zr
Rest Ni

Diese Superlegierung ist unter dem Namen IN 100 im Handel, so daß sowohl Grundwerkstoff als auch Beschichtungswerkstoff kostengünstig zur Verfügung stehen.

Je feiner das Korn der Beschichtung strukturiert ist, um so gleichmäßiger erscheint die Zusammensetzung des Korn­ volumens und um so perfekter bildet sich eine stabile ein­ heitliche Oxidschicht von Chrom und/oder Aluminiumoxiden im Betrieb aus. Deshalb ist das Kornvolumen der Beschichtung vorzugsweise um mindestens drei Zehnerpotenzen kleiner, als das Kornvolumen des Grundmaterials.

Die Korngrenzen des bevorzugten Grundwerkstoffes IN 100 weisen titan- und vanadiumhaltige Korngrenzenausscheidungen auf, die instabile bzw. niedrigschmelzende Oxide bilden. Die Beschichtung hat deshalb vorzugsweise weniger Ausscheidungen an den Korngrenzen als der Grundwerkstoff, was vorteilhaft die Oxydations- und Korrosionsbeständigkeit verbessert.

Eine besonders bevorzugte Ausbildung der Schutzschicht besteht darin, daß die Schutzschicht eine Plasmaspritzschicht ist, die aufgrund der hohen Erstarrungsgeschwindigkeit vorteil­ haft äußerst feinkörnig und ausscheidungsarm kristallisiert.

Weiterhin hat die Erfindung die Aufgabe, ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils nach Anspruch 1 anzugeben, was mit folgenden Verfahrensschritten gelöst wird:

• a) Oberflächenvorbehandlung durch ein Abtragen der Ober­ fläche des Grundwerkstoffs zur Verbesserung der Haftung,
• b) Beschichten des Grundwerkstoffs mittels Plasmaspritzen mit Plasmaspritzmaterial in der chemischen Zusammen­ setzung des Grundwerkstoffes,
• c) epitaktische Rekristallisation mittels Lösungsglühen bei Temperaturen zwischen 1150 und 1250°C,
• d) Nachbehandlung der Oberfläche der Schutzschicht durch mechanisches Verdichten zur Glättung und Verfestigung der Oberfläche und/oder Diffusionsbeschichten zur Erhöhung der Oxydationsbeständigkeit.

Dieses Verfahren hat den Vorteil, daß es für die Massen­ produktion geeignet ist.

Bei hohen Anforderungen an die Qualität der Beschichtung wird die Oberflächenvorbehandlung durch ein Plasmaätzen mit einem Argonplasma durchgeführt. Diese Vorbehandlung hat den Vorteil der Kontaminationsfreiheit und ist mit einem Niederdruck- Plasmaspritzprozeß kompatibel, so daß an einem Bauelement mit einem Bestückungsvorgang, sowohl die Oberflächenvorbehandlung als auch das Beschichten des Grundwerkstoffes erfolgen kann. Damit wird vorteilhaft die Qualität verbessert, da kein Um­ setzen in eine weitere Anlage erforderlich ist und Verweil­ zeiten in Normal-Atmosphäre entfallen.

Bei hohen Anforderungen an die Wirtschaftlichkeit wird die Oberflächenpräparation mittels chemischen Abtrag durchgeführt, so daß vorteilhaft ein hoher Durchsatz erzielt wird.

Eine abrasive Strahlbearbeitung wird vorzugsweise als Ober­ flächenabtrag eingesetzt, da sich mit diesem Verfahren vor­ teilhaft großflächige Bauteile wie beispielsweise Rotorscheiben für eine nachfolgende Beschichtung präparieren lassen.

Die Beschichtung mittels Plasmaspritzen mit einem Plasmaspritz­ material in der gleichen chemischen Zusammensetzung wie der Grundwerkstoff kann bei hohen Anforderungen an die Qualität im Niederdruckplasmaspritzverfahren und bei großen Teilen und/oder hohen Anforderungen an die Wirtschftlichkeit mittels Plasmaspritzen und Schutzgas erfolgen.

Claims (10)

1. Bauteil aus einem Grundwerkstoff auf Nickel- oder Kobaltbasis mit einer Schutzschicht aus chemisch gleichem Werkstoff gegen Oxydation, Korrosion und Thermoermüdung, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzschicht wesentlich feinkörniger als der Grundwerkstoff strukturiert ist und die unterste Lage der feinkörnigen Beschichtung die gleiche Kristallorientierung wie die großvolumigen Kristallite des Grundwerkstoffes an der Beschichtungs­ grenze aufweisen.

2. Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzschicht weniger Korngrenzenausscheidungen und eine gleichbleibendere Legierungszusammensetzung im Kornvolumen als der Grundwerkstoff aufweist.

3. Bauteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Grundwerkstoff und die Schutzschicht eine Zusammen­ setzung von: 13 bis 17 Gew.-% Co
8 bis 11 Gew.-% Cr
5 bis 6 Gew.-% Al
4,5 bis 5 Gew.-% Ti
2 bis 4 Gew.-% Mo
0,7 bis 1,2 Gew.-% V
0,15 bis 0,2 Gew.-% C
0,01 bis 0,02 Gew.-% B
0,03 bis 0,09 Gew.-% Zr
Rest Niaufweisen.

4. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Schutzschicht ein um mindestens drei Zehnerpotenzen feiner Kornvolumen aufweist als der Grund­ werkstoff.

5. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Schutzschicht weniger Vanadium- oder Titanausscheidungen an den Korngrenzen aufweist als ein Grundwerkstoff mit gleichem Vanadium- oder Titangehalt.

6. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Schutzschicht eine Plasmaspritzschicht ist.

7. Verfahren zur Herstellung eines Bauteils nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

• a) Oberflächenvorbehandlung durch ein Abtragen der Ober­ fläche des Grundwerkstoffs zur Verbesserung der Haftung,
• b) Beschichten des Grundwerkstoffs mittels Plasmaspritzen mit Plasmaspritzmaterial in der chemischen Zusammen­ setzung des Grundwerkstoffs,
• c) epitaktische Rekristallisation mittels Lösungsglühen bei Temperaturen zwischen 1150°C und 1250°C,
• d) Nachbehandlung der Oberfläche der Schutzschicht durch mechanisches Verdichten zur Glättung und Verfestigung der Oberfläche und/oder Diffusionsbeschichten zur Er­ höhung der Oxydationsbeständigkeit.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Abtrag mittels chemischem Ätzen, Plasmaätzen oder abrasiver Strahlbearbeitung durchgeführt wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Oberfläche der Schutzschicht mit einer Verfestigungsstrahlbearbeitung und/oder Druckfließläpp­ bearbeitung und/oder Gleitschleifbearbeitung durchge­ führt wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Oberfläche der Schutzschicht mit einer Diffusionsbeschichtung mit Aluminium und/oder Chrom nach­ behandelt wird.