DE3918380A1 - Hochtemperatur-verbund-werkstoff, verfahren zu seiner herstellung sowie dessen verwendung - Google Patents
Hochtemperatur-verbund-werkstoff, verfahren zu seiner herstellung sowie dessen verwendungInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen neuen korro
sions- und verschleißbeständigen Hochtemperatur-Verbund-
Werkstoff auf Basis einer Legierung des Typs MCrAlY als
Matrixmetall mit Platin und/oder Rhodium als Legierungs
elemente in Mengen von 5 bis 15 Gew.-%, ein Verfahren
zur Herstellung dieses Hochtemperatur-Verbund-Werkstof
fes sowie dessen Verwendung.
In vielen modernen Industrieanlagen, wie z. B. bei der
Energiegewinnung, der Müllverbrennung oder Kohleverga
sung, müssen Anlagen-Bauteile gegen Hochtemperaturkorro
sion und Verschleiß beständig sein oder durch geeignete
Überzüge weitgehend davor geschützt werden.
Aus dem Bereich des Gasturbinenbaus, insbesondere der
Flugtriebwerke, ist der Einsatz von Werkstoffen mit der
allgemeinen Bezeichnung MCrAlY-Legierungen bekannt, wo
bei M ein Metall aus der Gruppe Eisen, Kobalt und Nickel
oder Kombinationen dieser Elemente darstellt. Werkstoffe
dieser Art sind beschrieben in den US-A-38 74 901, US-A-
39 28 026, US-A-35 42 530 und US-A-37 54 903. Die Wei
terentwicklung der MCrAlY-Legierungen mit dem Ziel, die
Korrosionsbeständigkeit zu erhöhen, hat zu Edelmetall-
haltigen Legierungstypen geführt. So wird in der US-A-
39 18 139 eine MCrAlY-Legierung mit 3 bis 12 Gew.-% Pla
tin oder Rhodium beschrieben. Platin-haltige Überzugs
legierungen auf NiCrAl-Basis haben in der Vergangenheit
in vielen Fällen hervorragende Korrosionsbeständigkeit
bewiesen.
Zur Verbesserung des Verschleißverhaltens der MCrAlY-
Werkstoffe können gemäß den US-A-38 79 831 und US-A-
41 24 737 den Basislegierungen unter anderem Hartstoffe
wie Oxide und Nitride zugesetzt werden. Darüber hinaus
ist aus der US-A-42 75 124 bekannt, das Verschleißver
halten von MCrAlY-Legierungen durch in-situ - gebilde
te Carbide oder durch zulegierte Carbide zu erhöhen.
In der US-A-42 75 090 ist Chromcarbid, Cr3C2, als Zusatz
genannt. Außerdem ist aus der US-A-41 17 179 und US-A-
41 24 137 ein Zusatz von TaC zu Ni-Cr- und Co-Cr-Werk
stoffen zwar bekannt, der Einfluß von Tantal auf das
Oxidations-Korrosionsverhalten wird aber vorwiegend als
negativ beschrieben.
Die in die MCrAlY-Matrix eingelagerten Carbide reagieren
aufgrund physikalischer und chemischer Eigenschaften
dieses Verbundsystems unter den auftretenden Betriebs
temperaturen mehr oder weniger stark in der Matrix. Die
Reaktionsgeschwindigkeit nimmt mit steigender Temperatur
zu und Carbide der 6. Nebengruppe (z. B. Cr3C2) werden
bei gleicher Temperatur schneller abgebaut als die der
4. Nebengruppe (z. B. TiC, NbC). Da der Wirkungsgrad
vieler bei hohen Temperaturen arbeitenden Anlagen durch
Temperatursteigerung weiter erhöht werden kann, sind je
doch hochtemperaturstabile korrosions- und verschleißbe
ständige Werkstoffe erforderlich.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, die Hochtemperatur-
Stabilität der Verbundwerkstoffe aus MCrAlY-Matrix und
Hartstoffen zu verbessern, um die Nachteile der bekann
ten Werkstoff-Kombinationen zu überwinden. Demgemäß
sollen also temperaturstabile korrosions- und ver
schleißbeständige Legierungen zur Verfügung gestellt
werden, die bei Temperaturen von 600 bis 1100°C ein
setzbar sind.
Es wurde nun gefunden, daß diese Bedingungen erfüllt
werden durch einen MCrAl(Y)-Werkstoff (mit oder ohne
Yttrium-Anteil), der neben Platin oder Rhodium Carbide
der 4. und/oder 5. und/oder 6. Nebengruppe des Perioden
systems der Elemente enthält. Es hat sich gezeigt, daß
diese zusätzlichen Legierungs-Elemente die Abbau-Reak
tionen der Carbide mit der Matrix stark verringern, so
daß in die Matrix eingelagerte Carbidpartikel ihre ver
schleißhemmende Wirkung länger aufrechterhalten. Der
Einsatz von Mischcarbiden ist ebenfalls möglich.
Die vom Platin zusätzlich ausgehende positive Wirkung
in diesem Zusammenhang ist bekanntermaßen eine Verbesse
rung des Korrosionsverhaltens durch verbesserte Oxidhaf
tung auf der Oberfläche. Der Platingehalt der MCrAlY-Ma
trix kann bis zu 15 Gew.-% betragen, der Carbidanteil
zwischen 0,01 und 75 Gew.-% variieren.
Gegenstand dieser Erfindung ist somit ein Korrosions-
und verschleißbeständiger Hochtemperatur-Verbund-Werk
stoff auf Basis einer Legierung des Typs MCrAlY als
Matrixmetall mit Platin und/oder Rhodium als Legierungs
elemente in Mengen von 5 bis 15 Gew.-%, wobei in das Ma
trixmetall Hartstoffpartikel in Form von Carbiden der
Elemente Vanadium, Niob, Tantal, Titan, Zirkon, Hafnium,
Chrom, Molybdän und/oder Wolfram und/oder Mischungen
derselben in Mengen von 0,01 bis 75 Gew.-%, bevorzugt
5 bis 75 Gew.-%, bezogen auf den Hochtemperatur-Verbund-
Werkstoff, eingelagert sind.
In einer bevorzugten Ausführungsform beträgt die Carbid-
Partikelgröße unter 50 µm. Die enthaltenen Carbid-Parti
kel sind kompakt. Entsprechende Matrixlegierungen des
Typs MCrAlY mit Platin- und/oder Rhodiumzusätzen in Pul
verform als Matrixwerkstoffe für Verbundwerkstoffe mit
eindispergierten Hartstoffpulvern waren bislang noch
nicht bekanntgeworden.
Gegenstand dieser Erfindung ist auch ein Verfahren zur
Herstellung der erfindungsgemäßen Hochtemperatur-Ver
bund-Werkstoffe. Die erfindungsgemäßen MCrAlY-Hartstoff-
Legierungen können bevorzugt durch Suspensionsverdüsen,
mechanisches Legieren oder Mischen von Verbundpulver aus
MCrAlY, Platin und/oder Rhodium und Hartstoffen wie Car
biden der Elemente Vanadium, Niob, Tantal, Titan, Zir
kon, Hafnium, Chrom, Molybdän und/oder Wolfram und/oder
Mischungen derselben hergestellt werden, die 5 bis
15 Gew.-% Platin und/oder Rhodium und 0,01 bis
75 Gew.-%, bevorzugt 5 bis 75 Gew.-%, Metallcarbidanteil
enthalten, erhalten werden.
Gegenstand der Erfindung ist auch die Verwendung der
Hochtemperatur-Verbund-Werkstoffe zur Herstellung von
Oberflächenschutzschichten. Hierbei erfolgt die Verar
beitung der Pulver zu den Oberflächenschutzschichten be
vorzugt durch Auftragsschweiß- oder thermische Spritz
verfahren wie Plasmaspritzen, Pulverplasma-Auftrags
schweißen, Hochgeschwindigkeitsflammspritzen oder Laser-
Beschichten.
Gegenstand dieser Erfindung ist auch die Verwendung der
erfindungsgemäßen Hochtemperatur-Verbund-Werkstoffe zur
Herstellung von Kompaktbauteilen, die durch Kompaktieren
der pulverförmigen Ausgangsstoffe zu Bauteilrohlingen
oder Bauteilen erhalten werden. Durch Kompaktierverfah
ren wie Sintern, heißisostatisches Pressen oder Spritz
guß ist die Herstellung hochtemperaturbeständiger, ab
riebfester Bauteile möglich.
Sehr dichte, gut haftende Verbundschichten wurden durch
Vakuumplasmaspritzen hergestellt. Sie sind auf Korro
sionsbeständigkeit und Haftfestigkeit durch zyklisches
Aufheizen auf 900°C und Abkühlen auf 200°C getestet wor
den. Der Aufheiz-, Temper- und Abkühlzyklus dauerte 80
Minuten. Als Grundwerkstoff wurde eine Nickelbasis-
Superlegierung verwendet.
Nach 1000 Testzyklen (1333 Stunden) waren keine Anzei
chen für einen Ausfall der Schichten - Durchbrüche oder
Abplatzungen - zu erkennen.
Ein Vergleich zwischen platinfreier und platinhaltiger,
mit Carbiden durchsetzter Matrix zeigt, daß der diffu
sionsbedingte Austausch zwischen Carbid- und Matrixele
menten bei Anwesenheit von Platin langsamer abläuft.
Durch Pulverplasmaauftragsschweißen und Plasmaspritzen
wurden Schichten mit unterschiedlichen Gehalten an Hart
stoffen hergestellt und damit das Abrasions-Verschleiß
verhalten gegen SiC-Scheiben der Körnung 600 als Gegen
körper ermittelt. Alle Matrix-Hartstoff-Kombinationen
zeigten dabei ein ähnliches gegenüber der Hartstoff-
freien Matrix-Schicht verbessertes Verhalten. Die Zugabe
von 75 Vol.-% Hartstoff bewirkt unabhängig von der Hart
stoffart eine deutliche Verminderung der Verschleißrate.
Je nach Hartstoffart beträgt der Verschleiß nur noch 55
bis 70% der Verschleißrate der reinen Matrix-Legie
rung.
MCrAlY-Platin-Hartstoff-Verbundpulver sind durch heiß
isostatisches Pressen (HIP) zu Kompaktkörpern verarbeitet
worden. Die Auswertung von Verschleißuntersuchungen be
stätigt die mit Hilfe der Schutzschicht gewonnen Er
gebnisse.
Claims (4)
1. Korrosions- und verschleißbeständiger Hochtempera
tur-Verbund-Werkstoff auf Basis einer Legierung des
Typs MCrAlY als Matrixmetall mit Platin und/oder
Rhodium als Legierungselemente in Mengen von 5 bis
15 Gew.-%, dadurch gekennzeichnet, daß in das Ma
trixmetall Hartstoffpartikel in Form von Carbiden
der Elemente Vanadium, Niob, Tantal, Titan, Zirkon,
Hafnium, Chrom, Molybdän und/oder Wolfram und/oder
Mischungen derselben in Mengen von 0,01 bis
75 Gew.-%, bevorzugt 5 bis 75 Gew.-%, bezogen auf
den Hochtemperatur-Verbund-Werkstoff, eingelagert
sind.
2. Verfahren zur Herstellung von Hochtemperatur-Ver
bund-Werkstoffen gemäß Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß durch Suspensionsverdüsen, mechani
sches Legieren oder Mischen von Verbundpulver aus
MCrAlY, Platin und/oder Rhodium und Hartstoffen wie
Carbiden der Elemente Vanadium, Niob, Tantal,
Titan, Zirkon, Hafnium, Chrom, Molybdän und/oder
Wolfram un/oder Mischungen derselben hergestellt
werden, die 5 bis 15 Gew.-% Platin und/oder Rhodium
und 0,01 bis 75 Gew.-%, bevorzugt 5 bis 75 Gew.-%,
Metallcarbidanteil enthalten.
3. Verwendung der Hochtemperatur-Verbund-Werkstoffe
gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2 zur Herstellung
von Oberflächenschutzschichten, die durch Auftrags
schweiß- oder thermische Spritzverfahren wie Plas
maspritzen, Pulverplasma-Auftragsschweißen, Hochge
schwindigkeitsflammspritzen oder Laser-Beschichten
erhalten werden.
4. Verwendung der Hochtemperatur-Verbund-Werkstoffe
gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2 zur Herstellung
von Kompaktbauteilen, die durch Kompaktieren der
pulverförmigen Ausgangsstoffe zu Bauteilrohlingen
oder Bauteilen erhalten werden.
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