DE60302425T2

DE60302425T2 - Ein Schutzüberzug

Info

Publication number: DE60302425T2
Application number: DE60302425T
Authority: DE
Inventors: Dr. Werner Stamm
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2003-01-10
Filing date: 2003-12-19
Publication date: 2006-06-29
Anticipated expiration: 2023-12-20
Also published as: EP1439245A1; CN1521221A; EP1439245B1; ES2250818T3; DE60302425D1; EP1621648B1; JP3875973B2; ES2281048T3; JP2004218086A; US20040170521A1; CN1268696C; EP1621648A1; DE60311686T2; DE60311686D1; US6974638B2

Description

Die Erfindung betrifft einen Schutzüberzug.
Zahlreiche Zusammensetzungen von Schutzüberzügen aus Legierungen, die im Wesentlichen Nickel, Chrom, Kobalt, Aluminium und ein reaktives Element der seltenen Erden enthalten, sind entwickelt und geprüft worden. Solche Überzüge sind vordem beispielsweise durch die US-Patentschriften Nr. 4,005,989 oder Nr. 5,401,307 bekannt geworden.
Durch die US-Patentschriften Nr. 4,034,142 und Nr. 5,599,385 ist auch bekannt, dass ein zusätzlicher Bestandteil, Silizium, die Eigenschaften solcher Schutzüberzüge weiter verbessern kann.
Obwohl die verhältnismäßig weiten Bereiche der verschiedenen Elemente in diesen Dokumenten in der Tat qualitativ einen Weg zur Schaffung von Schutzüberzügen vorschlagen, die gegen Hochtemperaturkorrosion beständig sind, sind die offenbarten Zusammensetzungen nicht für alle Zwecke quantitativ ausreichend spezifisch.
Die deutsche Patentschrift 2 355 674 offenbart ferner Zusammensetzungen für Schutzüberzüge; sie sind aber nicht für Nutzungen oder Anwendungen des Typs geeignet, der bei stationären Gasturbinen mit einer hohen Einlasstemperatur vorkommen kann.
Diese Schutzüberzüge zeigen einen hohen Grad an innerer Oxidation und daher die Entwicklung von Rissen, was zu einer Ablösung des obenliegenden Überzuges führt.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Schutzüberzugsanwendung, aufgetragen auf einer Komponente, in der die Entwicklung von Rissen, welche die mechanischen Eigenschaften und die Haftung anderer obenliegender Überzüge verschlechtern, mindestens verringert ist, bereitzustellen.
In Anbetracht der vorhergehenden und anderer Aufgaben ist erfindungsgemäß ein Schutzüberzug bereitgestellt, der gegen Korrosion bei mittleren und hohen Temperaturen auf einer Komponente beständig ist, die aus einer Legierung auf Basis von Nickel oder Kobalt gebildet ist, der im Wesentlichen aus den folgenden Elementen besteht (in Gewichtsprozent):
26 bis 30% Nickel,
20 bis 28% Chrom,
8 bis 12% Aluminium,
0,1% bis 3% Rhenium,
0,1 bis 3% mindestens eines reaktiven Elementes der seltenen Erden,
Rest Kobalt
und Verunreinigungen
ebenso wie selektiv 0 bis 15% mindestens eines der Elemente der Gruppe, die aus Rhenium, Platin, Palladium, Zirkonium, Mangan, Wolfram, Titan, Molybdän, Niob, Eisen und Hafnium besteht.
Der bevorzugte Bereich ist von Molybdän 1,5 Gew.-% bis 2 Gew.-%, von Wolfram 2,5 Gew.-% bis 4 Gew.-%, von Titan bis zu 1 Gew.-%, von Zirkonium bis zu 0,1 Gew.-%, von Hafnium bis zu 1 Gew.-% und von Bor bis zu 0,5 Gew.-%.
Auch können 0,08 Gew.-% bis 0,1 Gew.-% Kohlenstoff zugefügt sein.
Der Schutzüberzug entwickelt keine spröden Phasen in dem Überzug und an der Grenzfläche zwischen dem Basismaterial und dem Überzug.
Die Oxidationsbeständigkeit ist verbessert.
Der Anteil und die Struktur der an Aluminium reichen Phase sind hoch genug, dass sich eine gute verankernde Schicht entwickelt:
eine TGO-Schicht (thermisch gewachsenes Oxid) oben auf dem MCrAlY bzw. zwischen MCrAlY-Keramik.
Diesbezüglich basiert die selektive Einbeziehung eines bestimmten Elementes der zuletzt erwähnten Gruppe von Elementen auf dem Wissen, dass das Element die Eigenschaften von Schutzüberzügen nicht verschlechtert, diese stattdessen sogar verbessert, zumindest unter bestimmten Umständen.
Den verschiedenen Bestandteilen des Schutzüberzuges können die folgenden Eigenschaften oder Bedeutung zugeschrieben werden:
Kobalt als ein Bestandteil führt gute Korrosionseigenschaften bei hohen Temperaturen herbei.
Nickel verbessert die Duktilität des Überzuges und verringert die gegenseitige Diffusion bezüglich der Basismaterialien auf Basis von Nickel. Der bevorzugte Bereich von Nickel ist von 26 bis 30% und vorzugsweise etwa 28%.
Chrom verbessert die Korrosionseigenschaften bei mittleren Temperaturen bis zu etwa 900°C und begünstigt die Bildung einer Aluminiumoxid-Deckschicht. Der bevorzugte Bereich für Chrom ist von 20 bis 28% und insbesondere etwa 24%.
Aluminium verbessert die Korrosionseigenschaften bei hohen Temperaturen bis zu etwa 1.150°C. Der Gehalt an Aluminium sollte in dem Bereich von 8 bis 12% liegen, insbesondere etwa 10% betragen.
Die Wirkung eines reaktiven Elementes, insbesondere von Yttrium, ist an sich bekannt. Sein bevorzugter Bereich ist von 0,1 bis 3% und beträgt insbesondere etwa 0,6%.
Prüfungen haben für die angegebenen bevorzugten Bereiche besonders gute Korrosionseigenschaften der Schutzüberzüge für Anwendungen in Gasturbinen mit einer Einlasstemperatur von mehr als 1.200°C gezeigt.
Aus der Literatur des Standes der Technik sind verschiedene Elemente bekannt geworden, welche die Eigenschaften eines Schutzüberzuges nicht beeinträchtigen, sondern diese vielmehr unter einigen Gesichtspunkten sogar verbessern, wenn sie in einem Bereich von insgesamt weniger als 15% und insbesondere in einem Anteil von nur wenigen Prozenten zugemischt werden. Die Erfindung der gegenwärtigen Anmeldung soll auch Schutzüberzüge mit solchen Zumischungen umfassen.
Ein Element, dem im Hinblick auf Schutzüberzüge kaum Beachtung geschenkt wurde, nämlich Rhenium, kann die Korrosionseigenschaften deutlich verbessern, wenn es in einem Anteil von 0,1 bis 3%, vorzugsweise von 0,1% bis 2% oder von 0,1% bis 1% zugemischt wird.
Obwohl Rhenium nicht so teuer ist wie die meisten Edelmetalle, kann es als ein Bestandteil eines Schutzüberzuges Eigenschaften hervorbringen, die genauso gut wie diejenigen sind, die beispielsweise von Platin erzielt werden, und es kann auch wirksam sein, wenn es nur einen kleinen Anteil an dem Schutzüberzug bildet.
Daher werden mit einem Rheniumgehalt von 1% bis 2%, vorzugsweise von 1,2% bis 1,7%, gute Ergebnisse erzielt.
Die erfindungsgemäßen Überzüge sind durch Plasmaspritz- oder -dampfabscheidung (PVD) auftragbar, und sie sind besonders gut für Gasturbinenschaufeln geeignet, die aus einer Superlegierung auf Basis von Nickel oder Kobalt gebildet sind. Mit solchen Schutzüberzügen können beispielsweise auch andere Gasturbinenkomponenten, insbesondere in Gasturbinen mit einer hohen Einlasstemperatur von mehr als 1.200°C versehen werden. Die besondere Zusammensetzung des erfindungsgemäßen Überzuges hat sich bei Prüfungen als eine besonders geeignete Wahl für stationäre Gasturbinen mit einer hohen Einlasstemperatur erwiesen. Solche Prüfungen werden im Folgenden erörtert.
BEISPIELE
Die Komponenten, auf welche die vorher beschriebenen Überzüge aufgetragen werden, sind vorteilhaft aus Superlegierungen auf Basis von Nickel oder Kobalt hergestellt. Die Komponenten können gebildet sein aus:

1. Schmiedelegierungen, die im Wesentlichen bestehen aus (in Gewichtsprozent): 0,03 bis 0,05% Kohlenstoff, 18 bis 19% Chrom, 12 bis 15% Kobalt, 3 bis 6% Molybdän, 1 bis 1,5% Wolfram, 2 bis 2,5% Aluminium, 3 bis 5% Titan, wahlweise geringe Zugaben von Tantal, Niob, Bor und/oder Zirkonium, Rest Nickel. Solche Legierungen sind als Udimet 520 und Udimet 720 bekannt.
2. Gusslegierungen, die im Wesentlichen bestehen aus (in Gewichtsprozent): 0,1 bis 0,15% Kohlenstoff, 18 bis 22% Chrom, 18 bis 9% Kobalt, 0 bis 2% Wolfram, 0 bis 4% Molybdän, 0 bis 1,5% Tantal, 0 bis 1% Niob, 1 bis 3% Aluminium, 2 bis 4% Titan, 0 bis 0,75% Hafnium, wahlweise geringe Zugaben von Bor und/oder Zirkonium, Rest Nickel. Legierungen dieses Typs sind als GTD 222, IN 939, IN 6203 und Udimet 500 bekannt.
3. Gusslegierungen, die im Wesentlichen bestehen aus (in Gewichtsprozent): 0,07 bis 0,1% Kohlenstoff, 12 bis 16% Chrom, 8 bis 10% Kobalt, 1,5 bis 2% Molybdän, 2,5 bis 4% Wolfram, 1,5 bis 5% Tantal, 0 bis 1% Niob, 3 bis 4% Aluminium, 3,5 bis 5% Titan, 0 bis 0,1% Zirkonium, 0 bis 1% Hafnium, eine wahlfreie geringe Zugabe von Bor, Rest Nickel. Solche Legierungen sind als PWA 1483 SX, IN 738 LC, GTD I11, IN 792 CC und IN 792 DS bekannt; IN 738 LC wird im Zusammenhang mit dieser Erfindung als besonders nützlich erachtet.
4. Gusslegierungen, die im Wesentlichen bestehen aus (in Gewichtsprozent): etwa 0,25% Kohlenstoff, 24 bis 30% Chrom, 10 bis 11% Nickel, 7 bis 8% Wolfram, 0 bis 4% Tantal, 0 bis 0,3% Aluminium, 0 bis 0,3% Titan, 0 bis 0,6% Zirkonium, eine wahlfreie geringe Zugabe von Bor, Rest Kobalt.

Es ist besonders vorteilhaft, Überzüge aufzutragen, die eine Dicke in dem Bereich von 200 μm bis 300 μm aufweisen.
Prüfungen
Es sind Oxidationszyklusprüfungen durchgeführt worden. Der Prüfzyklus war: 1.000°C, 2 Stunden, 15 min Abkühlen mittels Druckluft. In der Prüfung zeigt die neue Überzugzusammensetzung ein überlegenes Oxidationszyklusverhalten. Die Zeit bis zur Beschädigung war etwa 2,5mal so groß wie bei anderen Überzügen, die in derselben Art von Prüfung geprüft wurden.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
Die FIGUR ist ein Balkendiagramm, das vergleichende Prüfungsergebnisse für verschiedene Überzüge zeigt.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
Es wird Bezug genommen auf das Schaubild der FIGUR, welche die Prüfergebnisse veranschaulicht, wobei die Probe 1 ein Überzug des Standes der Technik ist, wie er weithin benutzt wird, wohingegen die Probe 2 erfindungsgemäß ist.
Mit Bezug auf die obige Einteilung wiesen die Proben 1 und 2 ein Basismaterial auf, das aus PWA1483SX hergestellt war.
Im Vergleich zur Probe 1 des Standes der Technik (11% bis 13 Co, 20% bis 22% Cr, 10,5% bis 11,5% Al, 0,3% bis 0,5% Y, 1,5% bis 2,5% Re, Rest Ni, bekannt aus US 5,154,885, US 5,273,712 oder US 5,268,238) ist die Probe 2 der Erfindung (vorliegende Erfindung, in Gew.-%: 28% Ni, 24% Cr, 0,6% Y, 10% Al, Rest Co) deutlich vorteilhaft, insbesondere hinsichtlich ihres Oxidationszyklusverhaltens.
Wie in dem Schaubild gezeigt, weist die Probe 1 des Standes der Technik eine Anzahl der Zyklen bis zum Versagen von etwa 1.200 auf. Die erfindungsgemäß hergestellte Probe weist eine Anzahl der Zyklen bis zum Versagen von etwa 3.200 auf.
Die Probe 1 ist weithin als der beste Überzug angesehen worden, der in der einschlägigen Technik bekannt war, insbesondere hinsichtlich seiner Oxidationszyklusbeständigkeit.
Erfindungsgemäße Überzüge machen es nicht länger notwendig, einen Kompromiss zwischen Oxidationsbeständigkeit und Duktilität einzugehen (wichtig für die Einreißfestigkeit und Haftung). Diese Eigenschaften sind nicht nur im Verhältnis zueinander optimiert, sondern sie sind gegenüber dem Stand der Technik erheblich verbessert.

Claims

Schutzüberzug, oxidationsbeständig auf einer Komponente aufgetragen, die aus einer Superlegierung auf Basis von Nickel oder Kobalt gebildet ist, wobei der Schutzüberzug aus den folgenden Elementen besteht (in Gewichtsprozent): etwa 28% Nickel, etwa 24% Chrom, etwa 10% Aluminium, 0,1% bis 3% Seltenerdelement, 0,1% bis 3% Rhenium, wahlweise 0,08% bis 0,1% Kohlenstoff, 1,5% bis 2% Molybdän, 2,5% bis 4% Wolfram, bis zu 1% Titan, bis zu 0,1% Zirkonium, bis zu 1% Hafnium, bis zu 0,5% Bor, wobei die Elemente der Gruppe, die aus Rhenium, Platin, Palladium, Zirkonium, Mangan, Wolfram, Titan, Molybdän, Niob, Eisen und Hafnium besteht, in einem Gesamtanteil von weniger als 15%, Rest Kobalt, zugemischt sind.
Schutzüberzug nach Anspruch 1, wobei der Rheniumgehalt 0,1 Gew.-% bis 2 Gew.-% beträgt.
Schutzüberzug nach Anspruch 1, wobei der Rheniumgehalt 0,1 Gew.-% bis 1 Gew.-% beträgt.
Schutzüberzug nach Anspruch 1, wobei der Rheniumgehalt 1 Gew.-% bis 2 Gew.-% beträgt.
Schutzüberzug nach Anspruch 1, wobei der Rheniumgehalt 1,2 Gew.-% bis 1,7 Gew.-% beträgt.
Schutzüberzug nach Anspruch 1, wobei das Seltenerdelement Yttrium ist.
Schutzüberzug nach Anspruch 1 oder 6, wobei der Seltenerdelement-Gehalt etwa 0,6 Gew.-% beträgt.