DE69810431T2

DE69810431T2 - Beschichtetes Substrat aus Superlegierung und Verfahren zum Beschichten eines Superlegierungssubstrates

Info

Publication number: DE69810431T2
Application number: DE69810431T
Authority: DE
Inventors: Meehar Chand Selly Oak Meelu
Original assignee: Rolls Royce PLC
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 1997-11-26
Filing date: 1998-11-13
Publication date: 2009-09-24
Anticipated expiration: 2018-11-14
Also published as: EP0921209B1; GB9724844D0; EP0921209A2; DE69810431D1; EP0921209A3; US6299986B1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Gegenstände aus einer Superlegierung, die mit einem Überzug versehen sind, und ferner befaßt sich die Erfindung mit Verfahren zum Überziehen von aus Superlegierung bestehenden Gegenständen, insbesondere auf Superlegierungen auf Nickel- und Kobaltbasis, die Rhenium enthalten, wobei die Gegenstände Turbinenlaufschaufeln oder Turbinenleitschaufeln sind.
Es ist bekannt, aus Aluminid-Silizid bestehende Schutzüberzüge auf Turbinenlaufschaufeln oder Turbinenleitschaufeln aus Superlegierungen zu erzeugen, um die Lebensdauer der Turbinenlaufschaufeln oder der Turbinenleitschaufeln zu erhöhen.
Es ist bekannt, Aluminid-Silizid-Überzüge auf einem Superlegierungs-Gegenstand dadurch zu erzeugen, daß ein mit Silizium angefüllter organischer Schlamm auf dem Superlegierungs-Gegenstand abgelagert wird und dann eine Pack-Aluminisierung stattfindet, wie in der US-A-4 310 574 beschrieben. Das Aluminium führt das Silizium aus dem Schlamm mit sich, wenn es in den Superlegierungs-Gegenstand hinein diffundiert. Ein anderes Verfahren zur Erzeugung von Aluminid-Silizid-Überzügen besteht darin, einen Schlamm, der elementare Aluminium- und Silizium-Metallpulver enthält, auf einem Superlegierungs-Gegenstand abzulagern und dann diesen auf über 760°C zu erhitzen, um das Aluminium und das Silizium in dem Schlamm zu schmelzen, so daß dieses mit der Superlegierung reagieren und in den Superlegierungs-Gegenstand hinein diffundieren kann, wie dies in der US-A-3 248 251 beschrieben ist. Ein weiteres Verfahren zur Erzeugung von Aluminid-Silizid-Überzügen besteht darin, wiederholt den Aluminium und Silizium enthaltenden Schlamm aufzutragen und zu erhitzen, wie dies in der US-A-5 547 770 beschrieben ist. Ein weiteres Verfahren zur Erzeugung von Aluminid-Silizid-Überzügen besteht darin, einen Schlamm aus einem eutektischen Aluminium-Silizium oder einen Schlamm aus elementaren Aluminium- und Silizium-Metallpulvern auf einem Superlegierungs-Gegenstand aufzubringen und eine Diffusionswärmebehandlung durchzuführen, damit eine Oberflächenschicht erhöhter Dicke mit reduziertem Siliziumgehalt geschaffen wird und wobei ein Schichtenkörper gebildet wird, der abwechselnd ineinandergeschachtelte Schichten von Aluminid- und Silizidphasen sowie eine Diffusions-Interfaceschicht aufweist, wie dies in der EP-A-0 619 856 beschrieben ist.
Es ist ferner bekannt, Platin-Aluminid-Silizid-Überzüge auf einem Gegenstand aus einer Superlegierung aufzutragen, indem der Superlegierungs-Gegenstand zunächst mit Platin überzogen wird und dann eine Wärmebehandlung stattfindet, um das Platin in den Superlegierungs-Gegenstand diffundieren zu lassen, worauf gleichzeitig Aluminium und Silizium aus dem geschmolzenen Zustand in den mit Platin angereicherten Superlegierungs-Gegenstand diffundiert, wie dies in der WO95/23243A beschrieben ist. Ein weiteres Verfahren zur Erzeugung von Platin-Aluminid-Silizid-Überzügen auf einem Superlegierungs-Gegenstand besteht darin, den Superlegierungs-Gegenstand mit Platin zu überziehen und dann einer Wärmebehandlung zu unterwerfen, damit das Platin in den Superlegierungs-Gegenstand hinein diffundieren kann. Dann wird eine Siliziumschicht aufgebracht, und dann erfolgt eine Aluminisierung, wie dies in der EP-A-0 654 542 beschrieben ist. Es ist auch möglich, das Silizium in den Superlegierungs-Gegenstand mit dem Platin zu diffundieren, wie dies in der EP-A-0 654 542 beschrieben ist. Ein weiteres Verfahren zur Erzeugung von Platin-Aluminid-Silizid-Überzügen auf einem Superlegierungs-Gegenstand besteht darin, elektrophoretisch ein Platin-Silizium-Pulver auf dem Superlegiergungs-Gegenstand aufzutragen und diesen einer Wärmebehandlung zu unterwerfen, damit das Platin und das Silizium in den Superlegierungs-Gegenstand hinein diffundieren können. Dann wird elektrophoretische Aluminium- und Chrompulver auf den Superlegierungs-Gegenstand aufgetragen und dieser einer Wärmebehandlung unterworfen, damit das Aluminium und das Chrom in den Superlegierungs-Gegenstand hinein diffundieren können, wie dies in der US-A-5 057 196 beschrieben ist.
Es ist ferner bekannt, Aluminium-Überzüge auf einem Superlegierungs-Gegenstand durch Pack-Aluminisierung, durch berührungsfreie Dampfphasen-Aluminisierung oder Schlämm-Aluminisierung aufzutragen. Es ist auch bekannt, Platin-Aluminid-Überzüge dadurch zu erzeugen, daß Platin auf dem Superlegierungs-Gegenstand aufgetragen und dann eine Pack-Aluminisierung und eine berührungsfreie Dampfphasen-Aluminisierung oder Schlämm-Aluminisierung durchgeführt werden.
Es hat sich gezeigt, daß dann, wenn Überzüge aus Aluminid, aus Platin-Aluminid, aus Aluminid-Silizid oder aus Platin-Aluminid-Silizid auf Superlegierungen erzeugt werden, die einen hohen Rheniumgehalt besitzen und mehr als 4 Gew.-% Rhenium enthalten, topologisch dicht gepackte Phasen (TCP-Phasen) innerhalb des Superlegierungssubstrats erzeugt werden. Diese TCP-Phasen sind reiche Phasen von nadelartigem Rhenium und Wolfram, die sich in das Substrat hinein erstrecken. Die TCP-Phasen sind unerwünscht, weil sie den nützlichen Lastträgerbereich des Superlegierungssubstrats verringern. Es kann auch eine Rissebildung am Interface zwischen dem Superlegierungssubstrat und der TCP-Phase auftreten, was zu einer Dekohäsion des Aluminids, des Platin-Aluminids, des Aluminid-Silizids oder des Platin-Aluminid-Silizid-Überzugs führt. Daher ist die Anwendung dieser verschiedenen Aluminid-Überzüge auf einer Superlegierung mit hohem Rheniumgehalt nicht zweckmäßig, weil diese TCP-Phasen die Spannung innerhalb des Superlegierungssubstrats mit hohem Rheniumgehalt erhöhen, was zu einem vorzeitigen Ausfall des Superlegierungs-Gegenstandes mit hohem Rheniumgehalt führt.
Es ist ferner bekannt, Überzüge aus MCrAlY oder Chrom auf Turbinenlaufschaufeln oder Turbinenleitschaufeln auf Superlegierungen aufzutragen, um die Lebensdauer der Turbinenlaufschaufeln oder Turbinenleitschaufeln zu erhöhen. Das MCrAlY wird im allgemeinen durch Plasmaspritzen oder physikalische Dampfablagerung aufgetragen, dem eine Wärmebehandlung folgt. Das M ist wenigstens eines der Metalle Ni, Co oder Fe. Der Chromüberzug wird allgemein durch Pack-Chromisierung oder Dampf-Chromisierung aufgebracht.
Es hat sich gezeigt, daß dann, wenn MCrAlY-Überzüge oder Chrom-Überzüge auf Superlegierungen mit hohem Rheniumgehalt von mehr als 4 Gew.-% Rhenium aufgetragen werden, topologisch dicht gepackte Phasen (TCP-Phasen) in dem Superlegierungssubstrat erzeugt werden.
Die EP-A-0 545 661 beschreibt eine Einkristall-Superlegierung mit hohem Rheniumgehalt, die einen Aluminid-Überzug besitzt, der durch Aluminisierung hergestellt wurde. Vor der Aluminisierung wird Kohlenstoff auf der Einkristall-Superlegierung mit hohem Rheniumgehalt aufgetragen, und der Kohlenstoff reagiert mit dem Rhenium und bildet Karbide, um die Erzeugung von topologisch dicht gepackten Phasen zu verhindern.
Die EP-A 0 821 076 beschreibt eine Einkristall-Superlegierung mit hohem Rheniumgehalt, die einen Aluminid-Überzug besitzt, der durch Aluminisierung aufgebracht wurde. Die EP-A-0 821 076 beansprucht Prioritäten vom 23. Juli 1996 und 18. Dezember 1996. Der Anmeldetag ist der 14. Juli 1997 und die Veröffentlichung erfolgte am 28. Januar 1998. Vor der Aluminisierung wird ein Kobalt-Überzug oder ein Chrom-Überzug auf der Einkristall-Superlegierung mit hohem Rheniumgehalt aufgetragen. Kobalt oder Chrom vermindern den Rheniumgehalt der Oberfläche der Superlegierung mit hohem Rheniumgehalt und verhindern die Erzeugung von topologisch dicht gepackten Phasen.
Die US-A-5 427 866 beschreibt eine Einkristall-Superlegierung mit hohem Rheniumgehalt, die einen Platin-Schutzüberzug und einen Wärmedämm-Überzug auf dem Platin-Schutzüberzug trägt. Vor der Ablagerung des Platin-Schutzüberzugs wird ein MCrAlY-Überzug, ein Aluminid-Überzug oder ein auf Nickel basierender Superlegierungs-Überzug auf der Einkristall-Superlegierung mit hohem Rheniumgehalt abgelagert.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Schutzüberzug auf einem Superlegierungs-Gegenstand mit hohem Rheniumgehalt unter verminderter Erzeugung, vorzugsweise ohne die Erzeugung von TCP-Phasen, aufzubringen.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beschichten eines Superlegierungs-Gegenstandes mit hohem Rheniumgehalt, wobei der Superlegierungs-Gegenstand mehr als 4 Gew.-% Rhenium enthält, mit den folgenden Schritten:
es wird ein Schutzüberzug auf dem Superlegierungs-Gegenstand mit hohem Rheniumgehalt abgelagert, wobei der Schutzüberzug einen Aluminid-Überzug, einen Chrom-Überzug oder einen MCrAlY-Überzug aufweist und M wenigstens eines der Metalle Ni, Co oder Fe ist, und ist gekennzeichnet durch Aufbringung eines Barriere-Überzugs auf dem Superlegierungs-Gegenstand mit hohem Rheniumgehalt vor Ablagerung des Schutzüberzugs auf dem Superlegierungs-Gegenstand mit hohem Rheniumgehalt, wobei der Barriere-Überzug aus einer Legierung besteht, die weniger als 4 Gew.-% Rhenium, bis zu 16 Gew.-% Chrom und bis zu 10 Gew.-% Aluminium enthält und der Barriere-Überzug aus einer Legierung besteht, die einen geringeren Rheniumgehalt hat als der Superlegierungs-Gegenstand mit hohem Rheniumgehalt.
Das Aufbringen des Schutzüberzuges kann die Ablagerung eines Aluminid-Silizid-Überzuges, eines Platin-Aluminid-Silizid-Überzuges oder eines Platin-Aluminid-Überzuges umfassen.
Bei der Ablagerung des Schutzüberzuges können gleichzeitig Aluminium und Silizium aus dem geschmolzenen Zustand in den Wärmedämm-Überzug auf dem Superlegierungs-Gegenstand mit hohem Rheniumgehalt hinein diffundieren.
Bei der Aufbringung des Schutzüberzuges kann zunächst Silizium und dann Aluminium aufgebracht werden, und Aluminium und Silizium diffundieren in den Wärmedämm-Überzug auf dem Superlegierungs-Gegenstand mit hohem Rheniumgehalt.
Bei der Aufbringung des Schutzüberzuges kann Platin auf den Wärmedämm-Überzug des Superlegierungs-Gegenstandes mit hohem Rheniumgehalt aufgetragen werden, worauf eine Wärmebehandlung erfolgt, damit das Platin in den Wärmedämm-Überzug diffundieren kann, wobei gleichzeitig Aluminium und Silizium im geschmolzenen Zustand in den Wärmedämm-Überzug auf dem Superlegierungs-Gegenstand mit hohem Rheniumgehalt diffundiert.
Bei der Aufbringung des Schutzüberzuges kann Platin auf den Wärmedämm-Überzug des Superlegierungs-Gegenstandes mit hohem Rheniumgehalt aufgebracht werden, worauf eine Wärmebehandlung erfolgt, damit das Platin in den Wärmedämm-Überzug diffundieren kann, worauf Aluminium in den Wärmedämm-Überzug auf dem Superlegierungs-Gegenstand mit hohem Rheniumgehalt diffundiert.
Das Platin kann durch Elektroplattierung abgelagert werden. Das Platin kann bei einer Temperatur von mehr als 1000°C behandelt werden. Vorzugsweise wird das Platin bei einer Temperatur von 1120°C ein bis zwei Stunden lang behandelt, damit das Platin diffundieren kann. Das Platin kann in einer Dicke zwischen 5 und 15 μm abgelagert werden.
Die Aluminisierung kann bei einer Temperatur im Bereich zwischen 850°C und 950°C erfolgen. Das Aluminium und Silizium kann in den Wärmedämm-Überzug bei einer Temperatur im Bereich zwischen 750°C und 1120°C hinein diffundieren.
Die Legierung kann folgende Bestandteile aufweisen: 9,3 bis 10,0 Gew.-% Co, 6,4 bis 6,8 Gew.-% Cr, 0,5 bis 0,7 Gew.-% Mo, 6,2 bis 6,6 Gew.-% W, 6,3 bis 6,7 Gew.-% Ta, 5,45 bis 5,75 Gew.-% Al, 0,8 bis 1,2 Gew.-% Ti, 0,07 bis 0,12 Gew.-% Hf, 2,8 bis 3,2 Gew.-% Re und Rest Ni. Die Legierung kann folgende Bestandteile aufweisen: 10 Gew.-% Co, 9 Gew.-% Cr, 10 Gew.-% W, 2,5 Gew.-% Ta, 5,5 Gew.-% Al, 1,5 Gew.-% Ti, 1,5 Gew.-% Hf, 0,15 Gew.-% C und Rest Ni.
Die Superlegierung kann folgende Zusammensetzung aufweisen: 1,5 bis 9,0 Gew.-% Co, 1,8 bis 4,0 Gew.-% Cr, 0,25 bis 2,0 Gew.-% Mo, 3,5 bis 7,5 Gew.-% W, 7,0 bis 10,0 Gew.-% Ta, 5,0 bis 7,0 Gew.-% Al, 0,1 bis 1,2 Gew.-% Ti, 0 bis 0,15 Gew.-% Hf, 5,0 bis 7,0 Gew.-% Re, 0 bis 0,5 Gew.-% Nb, 0 bis 0,04 Gew.-% C und Rest Ni.
Die vorliegende Erfindung betrifft auch einen mit einem Überzug versehenen Superlegierungs-Gegenstand mit hohem Rheniumgehalt, wobei der Superlegierungs-Gegensand mehr als 4 Gew.-% Rhenium enthält. Auf dem Superlegierungs-Gegenstand mit hohem Rheniumgehalt befindet sich eine Schutzschicht, die aus einem Aluminid-Überzug, einem Chrom-Überzug oder einem MCrAlY-Überzug besteht, wobei M wenigstens eines der folgenden Metalle ist: Ni, Co und Fe. Gekennzeichnet ist der Superlegierungs-Gegenstand durch einen Wärmedämm-Überzug zwischen dem Schutzüberzug und dem Superlegierungs-Gegenstand mit hohem Rheniumgehalt, wobei der Wärmedämm-Überzug weniger als 4 Gew.-% Rhenium, bis zu 16 Gew.-% Chrom und bis zu 10 Gew.-% Aluminium enthält und der Wärmedämm-Überzug aus einer Legierung besteht, die einen niedrigeren Rheniumgehalt hat als der Superlegierungs-Gegenstand mit hohem Rheniumgehalt.
Der Schutzüberzug kann aus einem Aluminid-Silizid-Überzug, einem Platin-Aluminid-Silizid-Überzug oder einem Platin-Aluminid-Überzug bestehen.
Die Legierung kann folgende Bestandteile aufweisen: 9,3 bis 10,0 Gew.-% Co, 6,4 bis 6,8 Gew.-% Cr, 0,5 bis 0,7 Gew.-% Mo, 6,2 bis 6,6 Gew.-% W, 6,3 bis 6,7 Gew.-% Ta, 5,45 bis 5,75 Gew.-% Al, 0,8 bis 1,2 Gew.-% Ti, 0,07 bis 0,12 Gew.-% Hf, 2,8 bis 3,2 Gew.-% Re und Rest Nickel. Die Legierung kann folgende Bestandteile aufweisen: 10 Gew.-% Co, 9 Gew.-% Cr, 10 Gew.-% W, 2,5 Gew.-% Ta, 5,5 Gew.-% Al, 1,5 Gew.-% Ti, 1,5 Gew.-% Hf, 0,15 Gew.-% C und Rest Ni.
Das Superlegierungssubstrat kann die folgende Zusammensetzung aufweisen: 1,5 bis 9,0 Gew.-% Co, 1,8 bis 4,0 Gew.-% Cr, 0,25 bis 2,0 Gew.-% Mo, 3,5 bis 7,5 Gew.-% W, 7,0 bis 10,0 Gew.-% Ta, 5,0 bis 7,0 Gew.-% Al, 0,1 bis 1,2 Gew.-% Ti, 0 bis 0,15 Gew.-% Hf, 5,0 bis 7,0 Gew.-% Re, 0 bis 0,5 Gew.-% Nb, 0 bis 0,04 Gew.-% C und Rest Ni.
Der Superlegierungs-Gegenstand mit hohem Rheniumgehalt kann aus einer auf Nickel basierenden Superlegierung oder einer auf Kobalt basierenden Superlegierung bestehen.
Der Superlegierungs-Gegenstand mit hohem Rheniumgehalt kann ein Einkristall-Superlegierungs-Gegenstand sein.
Der Superlegierungs-Gegenstand mit hohem Rheniumgehalt kann eine Turbinenlaufschaufel oder eine Turbinenleitschaufel sein.
Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen:
1 ist eine Schnittansicht durch einen mit Überzug versehenen Superlegierungs-Gegenstand gemäß der vorliegenden Erfindung;
2 ist eine Schnittansicht durch einen anderen mit einem Überzug versehenen Superlegierungs-Gegenstand gemäß der Erfindung;
3 ist eine Schnittansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels eines gemäß der Erfindung ausgebildeten mit Überzug versehenen Superlegierungs-Gegenstandes;
4 ist eine Schnittansicht eines weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels eines mit Überzug versehenen Superlegierungs-Gegenstandes;
5 ist eine Schnittansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäß ausgebildeten Superlegierungs-Gegenstandes.
Ein aus einer Nickel-Superlegierung mit hohem Rheniumgehalt bestehender Gegenstand 10, beispielsweise eine Turbinenlaufschaufel oder Turbinenleitschaufel eines Gasturbinentriebwerks, besitzt einen mehrlagigen Überzug 12, wie dies in 1 dargestellt ist. Der mehrlagige Überzug 12 besteht aus einem Barriere-Überzug 14 auf dem Nickel-Superlegierungs-Gegenstand 10 mit hohem Rheniumgehalt und einem Aluminid-Überzug 16 auf dem Barriere-Überzug 14. Der Barriere-Überzug 14 besteht aus einer Legierung, die eine ähnliche Zusammensetzung hat wie der Superlegierungs-Gegenstand 10 mit hohem Rheniumgehalt. Jedoch besitzt die Legierung des Barriere-Überzuges 14 einen niedrigeren Rheniumgehalt als der Superlegierungs-Gegenstand 10 mit hohem Rheniumgehalt. Der Aluminid-Überzug 16 besteht aus einem Nickel-Aluminid.
Es wird angenommen, daß die Anordnung eines Barriere-Überzuges 14 mit einer dem Superlegierungs-Gegenstand 10 hohen Rheniumgehaltes ähnlichen Zusammensetzung zwischen dem Superlegierungs-Gegenstand 10 mit hohem Rheniumgehalt und dem Aluminid-Überzug 16 die Diffusion von Elementen zwischen dem Aluminid-Überzug 16 und dem Superlegierungs-Gegenstand 10 mit hohem Rheniumgehalt vermindert. Der Barriere-Überzug 14 und der Superlegierungs-Gegenstand 10 mit hohem Rheniumgehalt haben ähnliche Zusammensetzungen, und deshalb findet nur eine sehr geringe Diffusion von Elementen zwischen den beiden Teilen statt, und zwar ergibt sich insbesondere eine geringe Diffusion von Rhenium aus dem Superlegierungs-Gegenstand 10 mit hohem Rheniumgehalt nach dem Barriere-Überzug 14. Der Barriere-Überzug 14 hat einen geringeren Gehalt an Rhenium und bildet keine TCP-Phasen mit dem Aluminid-Überzug 16. Der Barriere-Überzug 14 minimiert daher die Erzeugung von TCP-Phasen im Superlegierungs-Gegenstand 10 mit hohem Rheniumgehalt.
Der Barriere-Überzug 14 wird auf dem Superlegierungs-Gegenstand 10 mit hohem Rheniumgehalt durch Plasmaspritzen oder Luftplasmaspritzen unter einer Argon-Schutzatmosphäre abgelagert. Der Barriere-Überzug 14 wird in einer Dicke von etwa 125 μm abgelagert. Der Aluminid-Überzug 16 wird auf dem Barriere-Überzug 14 durch Pack-Aluminisierung, berührungsfreie Dampfphasen-Aluminisierung oder durch Schlämm-Aluminisierung aufgebracht. Das Aluminisierungsverfahren umfaßt eine Wärmebehandlung bei einer Temperatur im Bereich zwischen 750°C und 1200°C, vorzugsweise zwischen 800°C und 950°C. Das Aluminium diffundiert in den Barriere-Überzug 14 in eine Tiefe von etwa 75 μm, um den Aluminid-Überzug 16 zu bilden. Demgemäß verbleibt ein Barriere-Überzug 14 mit einer Dicke von etwa 50 μm.
Ein anderer Nickel-Superlegierungs-Gegenstand 20 mit hohem Rheniumgehalt, beispielsweise in Gestalt einer Turbinenlaufschaufel oder Turbinenleitschaufel eines Gasturbinentriebwerks, besitzt einen mehrlagigen Überzug 22, wie dies in 2 dargestellt ist. Der mehrlagige Überzug 22 besteht aus einem Barriere-Überzug 24 auf dem Nickel-Superlegierungs-Gegenstand 20 mit hohem Rheniumgehalt und einem Platin-Aluminid-Überzug 26 auf dem Barriere-Überzug 24. Der Barriere-Überzug 24 besteht aus einer Legierung mit einer ähnlichen Zusammensetzung wie sie der Superlegierungs-Gegenstand 20 mit hohem Rheniumgehalt hat. Die Legierung des Barriere-Überzuges 24 besitzt jedoch einen geringeren Rheniumgehalt als der Superlegierungs-Gegenstand 20 mit hohem Rheniumgehalt.
Es wird angenommen, daß durch die Anordnung eines Barriere-Überzugs 24 mit ähnlicher Zusammensetzung wie der Superlegierungs-Gegenstand 20 mit hohem Rheniumgehalt zwischen dem Superlegierungs-Gegenstand 20 mit hohem Rheniumgehalt und dem Platin-Aluminid-Überzug 26 die Diffusion der Elemente zwischen dem Platin-Aluminid-Überzug 26 und dem Superlegierungs-Gegenstand 20 mit hohem Rheniumgehalt vermindert wird. Der Barriere-Überzug 24 und der Superlegierungs-Gegenstand 20 mit hohem Rheniumgehalt haben ähnliche Zusammensetzungen, und deshalb ergibt sich nur eine sehr kleine Diffusion von Elementen zwischen den beiden und insbesondere nur eine geringe Diffusion von Rhenium aus dem Superlegierungs-Gegenstand 20 mit hohem Rheniumgehalt nach dem Barriere-Überzug 24. Der Barriere-Überzug 24 hat einen geringeren Gehalt von Rhenium und bildet keine TCP-Phasen mit dem Aluminid-Überzug 26. Der Barriere-Überzug 24 vermindert daher die Erzeugung von TCP-Phasen im Superlegierungs-Gegenstand 20 mit hohem Rheniumgehalt.
Der Barriere-Überzug 24 wird auf dem Superlegierungs-Gegenstand 20 hohen Rheniumgehaltes durch Plamaspritzen oder Luftplasmaspritzen unter einer Argon-Schutzatmosphäre durchgeführt. Der Barriere-Überzug 24 wird in einer Dicke von etwa 125 μm abgelagert. Der Platin-Aluminid-Überzug 26 wird auf dem Barriere-Überzug 24 aufgebracht, indem eine Platinschicht auf den Barriere-Überzug 24 aufgebracht wird und indem dann das Platin erhitzt wird, damit das Platin in den Barriere-Überzug 24 diffundieren kann. Das Platin wird in einer Dicke zwischen 5 und 15 μm durch Elektroplattierung, physikalische Dampfablagerung oder andere geeignete Mittel aufgebracht. Das Platin wird bei einer Temperatur wärmebehandelt, die höher liegt als 1000°C, beispielsweise erfolgt die Behandlung eine Stunde lang bei 1120°C, gefolgt von einer Gasstrom-Abschreckung und Alterung bei 845°C während 24 Stunden. Das Platin wird dann aluminisiert, entweder durch Pack-Aluminisierung, durch berührungslose Dampfphasen-Aluminisierung oder durch Schlämm-Aluminisierung. Der Aluminisierungsprozeß umfaßt eine Wärmebehandlung mit einer Temperatur im Bereich zwischen 750°C und 1200°C und vorzugsweise 800°C bis 950°C. Das Aluminium diffundiert in das Platin in dem Barriere-Überzug 24 in eine Tiefe von etwa 75 μm, um den Platin-Aluminid-Überzug 26 zu bilden. Dadurch verbleibt ein Barriere-Überzug 24 mit einer Dicke von etwa 50 μm.
Ein anderer Superlegierungs-Gegenstand 30 mit hohem Rheniumgehalt, beispielsweise in Form einer Turbinenlaufschaufel oder Turbinenleitschaufel eines Gasturbinentriebwerks, besitzt einen mehrlagigen Überzug 32, wie aus 3 ersichtlich. Der mehrlagige Überzug 32 besteht aus einem Barriere-Überzug 34 auf dem Nickel-Superlegierungs-Gegenstand 30 mit hohem Rheniumgehalt und einem Aluminid-Silizid-Überzug 36 auf dem Barriere-Überzug 34. Der Barriere-Überzug 34 besteht aus einer Legierung mit einer ähnlichen Zusammensetzung wie der Superlegierungs-Gegenstand 30 mit hohem Rheniumgehalt. Jedoch hat der Barriere-Überzug 34 einen geringeren Rheniumgehalt als der Superlegierungs-Gegenstand 30 mit hohem Rheniumgehalt.
Es wird angenommen, daß durch Anordnung eines in der Zusammensetzung dem Superlegierungs-Gegenstand 30 mit hohem Rheniumgehalt ähnlichen Barriere-Überzug 34 zwischen dem Superlegierungs-Gegenstand 30 mit hohem Rheniumgehalt und dem Aluminid-Silizid-Überzug 36 die Diffusion von Elementen zwischen dem Aluminid-Silizid-Überzug 36 und dem Superlegierungs-Gegenstand 30 mit hohem Rheniumgehalt vermindert wird. Der Barriere-Überzug 34 und der Superlegierungs-Gegenstand 30 mit hohem Rheniumgehalt haben ähnliche Zusammensetzungen, und deshalb ergibt sich nur eine geringe Diffusion von Elementen zwischen diesen beiden und insbesondere von Rhenium aus dem Superlegierungs-Gegenstand 30 mit hohem Rheniumgehalt nach dem Barriere-Überzug 34. Der Barriere-Überzug 34 hat einen geringeren Gehalt an Rhenium und bildet keine TCP-Phasen mit dem Aluminid-Silizid-Überzug 36. Der Barriere-Überzug 34 minimiert daher die Erzeugung von TCP-Phasen in dem Superlegierungs-Gegenstand 30 mit hohem Rheniumgehalt.
Der Barriere-Überzug 34 wird auf dem Superlegierungs-Gegenstand 30 mit hohem Rheniumgehalt durch Plasmaspritzen oder Luftplasmaspritzen unter einer Argon-Schutzatmosphäre aufgebracht. Der Barriere-Überzug 34 wird in einer Dicke von etwa 125 μm aufgetragen. Der Aluminid-Silizid-Überzug 36 wird auf dem Barriere- Überzug 34 durch Ablagerung von Aluminium und Silizium auf dem Barriere-Überzug 34 und durch Wärmebehandlung erzeugt, damit diese in den Barriere-Überzug 34 hinein diffundieren können. Aluminium und Silizium werden unter Benutzung eines Schlämm-Verfahrens aufgetragen, das Aluminium- und Siliziumpulver, dispergiert in einem geeigneten Binder, enthält und der Schlamm wird zu einer festen Matrix ausgehärtet, die die Metallpigmente in Berührung mit der Metalloberfläche hält, während die Wärmebehandlung durchgeführt wird. Aluminium und Silizium werden bei einer Temperatur im Bereich zwischen 750°C und 850°C wärmebehandelt, wobei diese gleichzeitig aus dem geschmolzenen Zustand diffundieren, wie dies in der US-A 3 248 251 beschrieben ist. Das Slizium kann zunächst durch Sprühen eines mit Silizium angefüllten Schlamms abgelagert werden und dann durch Pack-Aluminisierung. Das Aluminium, das in den Barriere-Überzug 34 diffundiert, trägt das Silizium mit sich, wie dies in der US-A- 4 310 574 beschrieben ist. Andere geeignete Verfahren zur Ablagerung und Diffundierung von Aluminium und Silizium in den Barriere-Überzug 34 können benutzt werden. Das Aluminium und das Silizium diffundieren in den Barriere-Überzug 34 bis zu einer Tiefe von etwa 75 μm, um den Aluminid-Silizid-Überzug 36 zu schaffen. So verbleibt demgemäß ein Barriere-Überzug 34 mit einer Dicke von etwa 50 μm.
Es kann zweckmäßig sein, das Verfahren der Ablagerung von Aluminium und Silizium und die verschiedenen Wärmebehandlungsschritte zu wiederholen, um mehrere Bänder zu schaffen, die reich an Silizium sind und mehrere Bänder zu schaffen, die reich an Aluminium sind, wobei die an Silizium reichen Bänder und die an Aluminium reichen Binder abwechselnd über die Tiefe des Aluminid-Silizid-Überzugs 36 angeordnet werden. Diese Technik ist im einzelnen in der veröffentlichen internationalen Patentanmeldung WO93/23247 beschrieben.
Ein weiterer Nickel-Superlegierungs-Gegenstand 40 mit hohem Rheniumgehalt, beispielsweise in Form einer Turbinenlaufschaufel oder einer Turbinenleitschaufel eines Gasturbinentriebwerks, besitzt einen mehrlagigen Überzug 42, wie dies in 4 dargestellt ist. Der mehrlagige Überzug 42 besteht aus einem Barriere-Überzug 44 auf dem Nickel-Superlegierungs-Gegenstand 40 mit hohem Rheniumgehalt und einem Platin-Aluminid-Silizid-Überzug 46 auf dem Barriere-Überzug 44. Der Barriere-Überzug 44 besteht aus einer Legierung, die eine ähnliche Zusammensetzung besitzt wie der Superlegierungs-Gegenstand 40 mit hohem Rheniumgehalt. Die Legierung des Barriere-Überzugs 44 besitzt jedoch einen geringeren Rheniumgehalt als der Superlegierungs-Gegenstand 40 mit hohem Rheniumgehalt.
Es wird angenommen, daß durch die Anordnung eines Barriere-Überzugs 44, der eine ähnliche Zusammensetzung wie der Superlegierungs-Gegenstand 40 mit hohem Rheniumgehalt hat, zwischen dem Superlegierungs-Gegenstand 40 mit hohem Rheniumgehalt und dem Platin-Aluminid-Silizid-Überzug 46 die Diffusion von Elementen zwischen dem Platin-Aluminid-Silizid-Überzug 46 und dem Superlegierungs-Gegenstand 40 mit hohem Rheniumgehalt vermindert wird. Der Barriere-Überzug 44 und der Superlegierungs-Gegenstand 40 mit hohem Rheniumgehalt haben ähnliche Zusammensetzungen, jedoch erfolgt nur eine sehr geringe Diffusion von Elementen zwischen den beiden, insbesondere diffundiert sehr wenig Rhenium aus dem Superlegierungs-Gegenstand 40 mit hohem Rheniumgehalt nach dem Barriere-Überzug 44. Der Barriere-Überzug 44 besitzt einen geringeren Gehalt an Rhenium und bildet keine TCP-Phasen mit dem Platin-Aluminid-Silizid-Überzug 46. Der Barriere-Überzug 44 vermindert daher die Erzeugung von TCP-Phasen in dem Superlegierungs-Gegenstand 40 mit hohem Rheniumgehalt.
Der Barriere-Überzug 44 wird auf dem Superlegierungs-Gegenstand 40 mit hohem Rheniumgehalt durch Plasmaspritzen oder Luftplasmaspritzen unter einer Argon-Schutzatmosphäre abgelagert. Der Barriere-Überzug 44 wird in einer Dicke von etwa 125 μm aufgetragen.
Der Platin-Aluminid-Silizid-Überzug 46 wird auf dem Barriere-Überzug 44 dadurch abgelagert, daß zunächst eine Platinschicht auf dem Barriere-Überzug 44 aufgetragen wird und das Platin dann einer Wärmebehandlung unterzogen wird, um das Platin in den Barriere-Überzug 44 hinein zu diffundieren. Das Platin wird in einer Dicke von 5 bis 15 μm durch Elektroplattierung, physikalische Dampfablagerung oder andere geeignete Mittel aufgetragen. Das Platin wird bei einer Temperatur von mehr als 1000°C, beispielsweise eine Stunde lang bei 1120°C, einer Wärmebehandlung unterworfen und danach erfolgt eine Gasstrom-Abschreckung und Alterung 24 Stunden lang bei 845°C.
Dann werden Aluminium und Silizium auf dem Platin in dem Barriere-Überzug 44 aufgetragen, und es erfolgt eine Wärmebehandlung, um diese Elemente in das Platin in dem Barriere-Überzug 44 hinein zu diffundieren. Aluminium und Silizium werden unter Benutzung einer Aufschlämmung, die Aluminium- und Siliziumpulver enthalten, dispergiert in einem geeigneten Pulver, aufgetragen und die Aufschlämmung wird zu einer massiven Matrix ausgehärtet, die die Metallpigmente in Berührung mit der Metalloberfläche während der Wärmebehandlung hält. Aluminium und Silizium werden auf eine Temperatur zwischen 750°C bis 850°C gebracht, damit diese gleichzeitig aus dem geschmolzenen Zustand diffundieren, wie dies in der US-A-3 248 251 beschrieben ist. Das Silizium kann zunächst durch Aufsprühen einer mit Silizium angefüllten Aufschlämmung abgelagert und dann einer Pack-Aluminisierung unterworfen werden. Das Aluminium, das in das Platin im Barriere-Überzug 44 diffundiert, trägt das Silizium mit sich, wie dies in der US-A-4 310 574 beschrieben ist. Es können auch andere Verfahren zur Ablagerung und Diffundierung des Aluminiums und des Siliziums in das Platin in dem Barriere-Überzug 44 benutzt werden. Platin, Aluminium und Silizium diffundieren in den Barriere-Überzug 44 in eine Tiefe von etwa 75 μm, um den Platin-Aluminid-Silizid-Überzug 46 zu schaffen. Demgemäß verbleibt ein Barriere-Überzug 44 mit einer Dicke von etwa 50 μm.
Es ist zweckmäßig, die Ablagerung von Aluminium und Silizium und die Diffusions-Wärmebehandlungsschritte zu wiederholen, um mehrere Bänder zu schaffen, die reich an Silizium sind und um mehrere Bänder zu schaffen, die reich an Aluminium sind, wobei die an Silizium reichen Bänder und die an Aluminium reichen Bänder abwechselnd über die Tiefe des Aluminid-Silizid-Überzugs 36 angeordnet werden. Diese Technik ist im einzelnen deutlicher in der veröffentlichten internationalen Patentanmeldung Nr. WO93/23247 beschrieben.
Ein weiterer Nickel-Superlegierungs-Gegenstand 50 mit hohem Rheniumgehalt, beispielsweise in Form einer Turbinenlaufschaufel oder Turbinenleitschaufel eines Gasturbinentriebwerks, besitzt einen mehrlagigen Überzug 52, wie dies in 5 dargestellt ist. Der mehrlagige Überzug 52 besteht aus einem Barriere-Überzug 54 auf dem Nickel-Superlegierungs-Gegenstand 50 mit hohem Rheniumgehalt und einem Überzug 56 aus MCArlY oder Chrom auf dem Barriere-Überzug 54. Der Barriere-Überzug 54 besteht aus einer Legierung mit einer ähnlichen Zusammensetzung wie der Superlegierungs-Gegenstand 50 mit hohem Rheniumgehalt, jedoch ist der Rheniumgehalt der Legierung des Barriere-Überzuges 54 niedriger als bei dem Superlegierungs-Gegenstand 50 mit hohem Rheniumgehalt.
Es wird angenommen, daß dadurch, daß ein Barriere-Überzug 54 mit ähnlicher Zusammensetzung wie der Superlegierungs-Gegenstand 50 mit hohem Rheniumgehalt zwischen den Superlegierungs-Gegenstand 50 mit hohem Rheniumgehalt und den MCrAlY- oder Chromüberzug 56 geschichtet wird, die Diffusion der Elemente zwischen dem aus MCrAlY oder Chrom bestehenden Überzug 56 und dem Superlegierungs-Gegenstand 50 mit hohem Rheniumgehalt verringert wird. Der Barriere-Überzug 54 und der Superlegierungs-Gegenstand 50 mit hohem Rheniumgehalt haben ähnliche Zusammensetzungen, und deshalb erfolgt nur eine sehr geringe Diffusion von Elementen zwischen den beiden, und insbesondere nur eine geringe Diffusion von Rhenium aus dem Superlegierungs-Gegenstand 50 mit hohem Rheniumgehalt nach dem Barriere-Überzug 54. Der Barriere-Überzug 54 hat einen geringeren Gehalt an Rhenium und bildet keine TCP-Phasen mit dem Überzug 56 aus MCrAlY oder Chrom. Der Barriere-Überzug 54 vermindert daher die Bildung von TCP-Phasen in dem Superlegierungs-Gegenstand 50 mit hohem Rheniumgehalt.
Der Barriere-Überzug 54 wird auf dem Superlegierungs-Gegenstand 50 mit hohem Rheniumgehalt durch Plasmaspritzen oder Luftplasmaspritzen unter einer Argon-Schutzatmosphäre aufgebracht. Der Barriere-Überzug 54 wird in einer Dicke von etwa 125 μm aufgetragen.
Der MCrAlY-Überzug 56 wird auf dem Barriere-Überzug 54 durch Plasmaspritzen, durch Luftplasmaspritzen unter einer Argon-Schutzatmosphäre oder durch physikalische Dampfablagerung aufgebracht, und es erfolgt eine Wärmebehandlung, um MCrAlY in den Barriere-Überzug 54 diffundieren zu lassen. Das MCrAlY wird in einer Dicke von etwa 75 μm abgelagert. Die MCrAlY-Legierung wird bei einer Temperatur von mehr als 1000°C, beispielsweise eine Stunde lang bei 1120°C einer Wärmebehandlung unterzogen, worauf eine Gasstrom-Abschreckung und Alterung 24 Stunden lang bei 845°C erfolgt.
Der Chromüberzug 56 wird auf dem Barriere-Überzug 54 durch Dampf- oder Pack-Chromisierung bei 1100°C fünf Stunden lang aufgetragen, damit das Chrom in den Barriere-Überzug 54 diffundieren kann. Das Chrom diffundiert in den Barriere-Überzug in einer Tiefe von etwa 75 μm, um den Chromüberzug 56 zu bilden.
In Versuchen wurde ein Aluminid-Silizid-Überzug auf eine Einkristall-Nickel-Superlegierung mit hohem Rheniumgehalt aufgetragen, wobei der Aluminid-Silizid- Überzug mehrere mit Silizium angereicherte Bänder und mehrere mit Aluminium angereicherte Bänder aufwies und die mit Silizium angereicherten Bänder abwechselnd mit den mit Aluminium angereicherten Bändern über die Tiefe des Aluminid-Silizid-Überzugs aufgebracht wurden. Der Einkristall-Superlegierungs-Gegenstand bestand beispielsweise aus CMSX10, und es zeigte sich, daß TCP-Phasen am Interface mit dem Superlegierungs-Gegenstand gebildet wurden. CMSX10 wird von Cannon-Muskegon Corporation, 2875 Lincoln Street, Muskegon, Michigan, MI 49433-0506, USA, hergestellt und hat eine nominelle Zusammensetzung von 1,5 bis 9,0 Gew.-% Co, 1,8 bis 4,0 Gew.-% Cr, 0,25 bis 2,0 Gew.-% Mo, 3,5 bis 7,5 Gew.-% W, 7,0 bis 10,0 Gew.-% Ta, 5,0 bis 7,0 Gew.-% Al, 0,1 bis 1,2 Gew.-% Ti, 0 bis 0,15 Gew.-% Hf, 5,0 bis 7,0 Gew.-% Re, 0 bis 0,5 Gew.-% Nb, 0 bis 0,04 Gew.-% C und Rest Ni.
In Versuchen wurde ein Platin-Aluminid-Silizid-Überzug auf einem Einkristall-Nickel-Superlegierungs-Gegenstand mit hohem Rheniumgehalt, beispielsweise CMSX10, aufgebracht, und es zeigte sich, daß TCP-Phasen am Interface mit dem Superlegierungs-Gegenstand erzeugt wurden.
In weiteren Versuchen wurde ein Platin-Aluminid-Überzug auf einem Einkristall-Nickel-Superlegierungs-Gegenstand mit hohem Rheniumgehalt, beispielsweise CMSX10, aufgetragen, und es zeigte sich, daß TCP-Phasen am Interface mit dem Superlegierungs-Gegenstand erzeugt wurden.
In weiteren Versuchen wurde ein MCrAlY-Überzug auf einem Einkristall-Nickel-Superlegierungs-Gegenstand mit hohem Rheniumgehalt, beispielsweise CMSX10, aufgetragen, und es zeigte sich, daß TCP-Phasen am Interface mit dem Superlegierungs-Gegenstand erzeugt wurden.
In weiteren Versuchen wurde ein Chromüberzug auf einem Einkristall-Nickel-Superlegierungs-Gegenstand mit hohem Rheniumgehalt, beispielsweise CMSX10, aufgetragen, und es zeigte sich, daß TCP-Phasen am Interface mit dem Superlegierungs-Gegenstand erzeugt wurden.
In weiteren Versuchen wurde ein Platin-Aluminid-Silizid-Überzug auf einem Nickel-Superlegierungs-Gegenstand aufgetragen, der kein Rhenium enthielt, beispielsweise auf MAR-M002, und es zeigte sich, daß keine TCP-Phasen am Interface mit dem Superlegierungs-Gegenstand erzeugt wurden. MAR-M002 wird von Martin-Marietta Corporation, Bethesda, Maryland, USA, hergestellt. MAR-M002 hat eine nominelle Zusammensetzung von 10 Gew.-% Co, 9 Gew.-% Cr, 10 Gew.-% W, 2,5 Gew.-% Ta, 5,5 Gew.-% Al, 1,5 Gew.-% Ti, 1,5 Gew.-% Hf, 0,15 Gew.-% C und Rest Ni.
In Versuchen wurde ein Platin-Aluminid-Überzug auf MAR-M002 aufgetragen, und es zeigte sich, daß keine TCP-Phasen am Interface mit dem Superlegierungs-Gegenstand erzeugt wurden.
In Versuchen wurde werter ein Aluminid-Silizid-Überzug auf MAR-M002 aufgetragen, und es zeigte sich, daß keine TCP-Phasen am Interface mit dem Superlegierungs-Gegenstand erzeugt wurden.
In Versuchen wurde weiterhin ein MCrAlY-Überzug auf MAR-M002 aufgetragen, und es zeigte sich, daß keine TCP-Phasen am Interface mit dem Superlegierungs-Gegenstand erzeugt wurden.
In Versuchen wurde ein Aluminid-Silizid-Überzug mit mehreren Bändern reich an Silizium und mehreren Bändern reich an Aluminium mit abwechselnd geschichteten siliziumreichen und aluminiumreichen Bändern über die Tiefe des Aluminid-Silizid-Überzuges auf einem Einkristall-Superlegierungs-Gegenstand mit geringem Rheniumgehalt, beispielsweise CMSX4, aufgetragen, und es zeigte sich, daß keine TCP-Phasen an dem Interface mit dem Superlegierungs-Gegenstand erzeugt wurden. CMSX4 wird von Cannon-Muskegon Corporation, 2875 Lincoln Street, Muskegon, Michigan, MI 49433-0506, USA, hergestellt und besitzt eine nominelle Zusammensetzung von 9,3 bis 10,0 Gew.-% Co, 6,4 bis 6,8 Gew.-% Cr, 0,5 bis 0,7 Gew.-% Mo, 6,2 bis 6,6 Gew.-% W, 6,3 bis 6,7 Gew.-% Ta, 5,45 bis 5,75 Gew.-Al, 0,8 bis 1,2 Gew.-% Ti, 0,07 bis 0,12 Gew.-% Hf, 2,8 bis 3,2 Gew.-% Re und Rest Ni.
In Versuchen wurde ein Platin-Aluminid-Silizid-Überzug auf einem Einkristall-Nickel-Superlegierungs-Gegenstand mit geringem Rheniumgehalt, beispielsweise CMSX4, aufgetragen, und es zeigte sich, daß keine TCP-Phasen am Interface mit dem Superlegierungs-Gegenstand erzeugt wurden.
In Versuchen wurde ein Platin-Aluminid-Überzug auf einem Einkristall-Nickel-Superlegierungs-Gegenstand mit geringem Rheniumgehalt, beispielsweise CMSX4, aufgetragen, und es zeigte sich, daß keine TCP-Phasen am Interface mit dem Superlegierungs-Gegenstand erzeugt wurden.
In Versuchen wurde ein MCrAlY-Überzug auf einem Einkristall-Nickel-Superlegierungs-Gegenstand mit geringem Rheniumgehalt, beispielsweise CMSX4, aufgetragen, und es zeigte sich, daß keine TCP-Phasen am Interface mit dem Superlegierungs-Gegenstand erzeugt wurden.
In Versuchen wurde ein Chromüberzug auf einem Einkristall-Nickel-Superlegierungs-Gegenstand mit geringem Rheniumgehalt, beispielsweise CMSX4, aufgetragen, und es zeigte sich, daß keine TCP-Phasen am Interface mit dem Superlegierungs-Gegenstand erzeugt wurden.
Die Erfindung schlägt vor, daß der Barriere-Überzug Legierungen mit geringem Rheniumgehalt benutzt, aber sonst mit ähnlicher Zusammensetzung wie der Superlegierungs-Gegenstand mit hohem Rheniumgehalt. Die Erfindung sieht außerdem die Benutzung von Legierungen vor, die kein Rhenium enthalten, aber sonst eine ähnliche Zusammensetzung wie der Superlegierungs-Gegenstand mit hohem Rheniumgehalt haben. Die Benutzung von Legierungen mit niedrigem Rheniumgehalt ist zu bevorzugen, weil dies die Diffusion von Rhenium aus dem Superlegierungs-Gegenstand in den Barriere-Überzug vermindert.
Bei den Ausführungsbeispielen gemäß 1 bis 5 besteht der Superlegierungs-Gegenstand mit hohem Rheniumgehalt aus CMSX10, und der Barriere-Überzug besteht vorzugsweise aus CMSX4, er kann jedoch auch aus MAR-M002 bestehen. Es ist für den Fachmann klar, daß andere geeignete Legierungen mit niedrigem Rheniumgehalt oder ohne Rheniumgehalt benutzt werden können. Es ist zweckmäßig, daß die Legierung des Barriere-Überzuges eine ähnliche Zusammensetzung hat wie der Superlegierungs-Gegenstand, um die Diffusion von Elementen zwischen dem Barriere-Überzug und dem Superlegierungs-Gegenstand zu vermindern und so die Möglichkeit der Erzeugung von TCP-Phasen zu verringern. Es ist auch klar, daß andere Superlegierungs-Gegenstände mit hohem Rheniumgehalt benutzt werden können und daß der Barriere-Überzug entsprechend gewählt werden kann.
Die Superlegierungs-Gegenstände mit hohem Rheniumgehalt sind vorzugsweise auf Nickel basierende Superlegierungs-Gegenstände mit hohem Rheniumgehalt, und sie sind vorzugsweise Einkristall-Superlegierungs-Gegenstände auf Nickelbasis mit hohem Rheniumgehalt, aber es können auch irgendwelche anderen Superlegierungs-Gegenstände mit hohem Rheniumgehalt benutzt werden, die der Bildung von TCP-Phasen unterworfen sind. Der Superlegierungs-Gegenstand kann eine Gasturbinen-Laufschaufel oder eine -Leitschaufel oder irgendein anderer Superlegierungs-Gegenstand sein, der einen Aluminid-Überzug erfordert.
Die Erfindung ist auch für andere Aluminisierungs-Verfahren, Chromisierungs-Verfahren und andere Verfahren zur Herstellung von Schutzüberzügen anwendbar, wo TCP-Phasen erzeugt werden können.
Der Superlegierungs-Gegenstand mit hohem Rheniumgehalt enthält mehr als 4 Gew.-% Rhenium. Die Legierungen mit niedrigem Rheniumgehalt weisen weniger als 4 Gew.-% Rhenium auf.
Es ist wichtig, daß die Dicke des abgelagerten Barriere-Überzugs größer ist als die Tiefe der Diffusion des Aluminid-Überzugs, so daß es immer einen Teil des Barriere-Überzuges ohne irgendeinen Aluminid-Überzug zwischen dem Aluminid-Überzug und dem Superlegierungs-Gegenstand mit hohem Rheniumgehalt gibt.
Andere geeignete Legierungen für den Barriere-Überzug sind IN-792 und IN-738. IN-738 besteht im typischen Falle aus 16 Gew.-% Cr, 8,5 Gew.-% Co, 3,45 Gew.-% Al, 3,45 Gew.-% Ti, 2,6 Gew.-% W, 1,7 Gew.-% Mo, 1,0 Gew.-% Ta, 0,8 Gew.-% Nb, und der Rest ist Ni plus zufällige Verunreinigungen. IN-792 besteht typischerweise aus 12,5 Gew.-% Cr, 9 Gew.-% Co, 4,2 Gew.-% W, 4,2 Gew.-% Ta, 4 Gew.-% Ti, 3,4 Gew.-% Al, 1,9 Gew.-% Mo, und der Rest ist Ni plus zufällige Verunreinigungen. Diese Barriere-Überzugs-Legierungen bilden keine TCP-Phasen bei der Aluminisierung, bei der Platin-Aluminisierung, bei der Silizium-Aluminisierung usw.
In Versuchen wurden MCrAlY-Überzüge, Aluminid-Überzüge, Platin-Aluminid-Überzüge, Aluminid-Silizid-Überzüge auf IN-792 und IN-738 aufgetragen, und es wurden dabei keine TCP-Phasen erzeugt.
Es ist auch möglich, Barriere-Überzüge zu benutzen, die aus MCrAlY-Legierungen bestehen, die so beschaffen sind, daß die Möglichkeit der Erzeugung von TCP-Phasen im Superlegierungs-Gegenstand vermindert wird. Die MCrAlY-Legierungen werden dabei durch Einstellung ihres Chromgehaltes derart ausgebildet, daß die MCrAlY-Legierung bis zu 16 Gew.-% Cr und bis zu 10 Gew.-% Al enthält.
Es wurde auch beobachtet, daß dann, wenn die Superlegierungs-Gegenstände mit hohem Rheniumgehalt aluminisiert wurden und sich die TCP-Phasen bilden, ein Zwischenphasenmaterial zwischen den nadelartigen Strukturen und den TCP-Phasen vorhanden ist. Dieses Zwischenphasenmaterial besteht aus einer Nickel-Legierung, die sehr stabil ist und die in dichter Nachbarschaft zu den TCP-Phasen besteht. Das Zwischenphasenmaterial kann anlysiert werden, um die Zusammensetzung der Legierung zu bestimmen, und ein Barriere-Überzug dieser Zusammensetzung kann auf dem Superlegierungs-Gegenstand abgelagert werden.
Der Barriere-Überzug besteht aus irgendeiner Legierung, die weniger als 4 Gew.-% Rhenium, bis zu 10 Gew.-% Aluminium und bis zu 16 Gew.-% Chrom enthält, so daß der Barriere-Überzug selbst keine TCP-Phasen im Superlegierungs-Gegenstand erzeugt. Vorzugsweise weist der Barriere-Überzug weniger als 10 Gew.-% Aluminium und weniger als 10 Gew.-% Chrom auf, so daß der Barriere-Überzug selbst keine TCP-Phasen in dem Superlegierungs-Gegenstand bildet.
Es wird angenommen, daß Schutzüberzüge mit hohem Aluminiumgehalt, beispielsweise Aluminid-Überzüge, eine indirekte Wirkung auf die Erzeugung der TCP-Phasen haben. Das Aluminium veranlaßt, daß Nickel im Superlegierungs-Gegenstand in das Aluminium diffundiert, um Nickel-Aluminid-Metallverbindungen zu schaffen. Jedoch werden die Schwermetallelemente einschließlich Rhenium nicht in das Nickel-Aluminid absorbiert, sondern werden stattdessen ausgeschieden, um Zwischenmetalle zu bilden, die zur Erzeugung der TCP-Phasen führen. Es wird angenommen, daß Schutzüberzüge mit hohem Chromgehalt, beispielsweise MCrAlY- und Chromüberzüge, eine direkte Auswirkung auf die Erzeugung von TCP-Phasen haben. Das Chrom bildet intermetallische Verbindungen mit den Schwermetallelementen, was zur Erzeugung der TCP-Phasen führt.

Claims

Verfahren zum Beschichten eines Superlegierungs-Gegenstandes (10) mit hohem Rheniumgehalt, wobei der Superlegierungs-Gegenstand (10) mehr als 4 Gew.-% Rhenium enthält, mit den folgenden Schritten: es wird ein Schutzüberzug (16) auf dem Superlegierungs-Gegenstand mit hohem Rheniumgehalt abgelagert, wobei der Schutzüberzug (16) einen Aluminid-Überzug, einen Chrom-Überzug oder einen MCrAlY-Überzug aufweist und M wenigstens eines der Metalle Ni, Co oder Fe ist, gekennzeichnet durch Aufbringung eines Barriere-Überzugs (14) auf dem Superlegierungs-Gegenstand (10) mit hohem Rheniumgehalt vor Ablagerung des Schutzüberzugs (16) auf dem Superlegierungs-Gegenstand (10) mit hohem Rheniumgehalt, wobei der Barriere-Überzug aus einer Legierung besteht, die weniger als 4 Gew.-% Rhenium, bis zu 16 Gew.-% Chrom und bis zu 10 Gew.-% Aluminium enthält und der Barriere-Überzug (14) aus einer Legierung besteht, die einen geringeren Rheniumgehalt hat als der Superlegierungs-Gegenstand (10) mit hohem Rheniumgehalt.
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem die Ablagerung des Schutzüberzugs (26, 36, 46) die Ablagerung eines Aluminium-Silizid-Überzugs (36), eines Platin-Aluminid-Silizid-Überzugs (46) oder eines Platin-Aluminid-Überzugs (26) umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 2, bei welchem die Ablagerung des Schutzüberzugs (36, 46) einen Schritt umfaßt, in dem gleichzeitig Aluminium und Silizium aus dem geschmolzenen Zustand in den auf dem Superlegierungs-Gegenstand (30, 40) mit hohem Rheniumgehalt befindlichen Barriere-Überzug (34, 44) diffundieren.
Verfahren nach Anspruch 2, bei welchem die Ablagerung des Schutzüberzugs (36, 46) die folgenden Schritte aufweist: es wird Silizium und dann Aluminium abgelagert, und das Aluminium und das Silizium diffundieren in den auf dem Superlegierungs-Gegenstand (30, 40) mit hohem Rheniumgehalt befindlichen Barriere-Überzug (34, 44).
Verfahren nach Anspruch 2, bei welchem die Ablagerung der Schutzschicht (46) die folgenden Schritte umfaßt: es wird Platin auf dem Barriere-Überzug (44) abgelagert, der auf dem Superlegierungs-Gegenstand (40) mit hohem Rheniumgehalt befindlich ist; es erfolgt eine Wärmebehandlung, um das Platin in den Barriere-Überzug (44) diffundieren zu lassen; gleichzeitig diffundieren Aluminium und Silizium aus dem geschmolzenen Zustand in den Barriere-Überzug (44), der sich auf dem Superlegierungs-Gegenstand (40) mit hohem Rheniumgehalt befindet.
Verfahren nach Anspruch 2, bei welchem die Ablagerung des Schutzüberzuges (36) die folgenden Schritte umfaßt: es wird Platin auf dem Barriere-Überzug (34) aufgetragen, der sich auf dem Superlegierungs-Gegenstand mit hohen Rheniumgehalt befindet; es wird eine Wärmebehandlung durchgeführt, damit das Platin in den Barriere-Überzug (34) diffundieren kann und Aluminium in den Barriere-Überzug (34) diffundieren kann, der sich auf dem Superlegierungs-Gegenstand (30) mit hohem Rheniumgehalt befindet.
Verfahren nach den Ansprüchen 5 oder 6, bei welchem die Ablagerung des Platins durch Elektroplattierung erfolgt.
Verfahren nach den Ansprüchen 5, 6 oder 7, bei welchem die Wärmebehandlung des Platins bei einer Temperatur von mehr als 1000°C erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 8, bei welchem die Wärmebehandlung des Platins bei einer Temperatur von 1120°C ein bis zwei Stunden lang erfolgt, damit das Platin diffundiert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 9, bei welchem das Platin in einer Dicke zwischen 5 und 15 μm abgelagert wird.
Verfahren nach den Ansprüche 1 bis 10, bei welchem die Aluminisierung bei einer Temperatur im Bereich zwischen 850°C und 950°C erfolgt.
Verfahren nach den Ansprüchen 2, 3, 4 oder 7, bei welchem die Diffusion von Aluminium und Silizium in den Barriere-Überzug (34, 44) bei einer Temperatur zwischen 750°C und 1120°C erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, bei welchem die Legierung die folgende Zusammensetzung aufweist: 9,3 bis 10,0 Gew.-% Co, 6,4 bis 6,8 Gew.-% Cr, 0,5 bis 0,7 Gew.-% Mo, 6,2 bis 6,6 Gew.-% W, 6,3 bis 6,7 Gew.-% Ta, 5,45 bis 5,75 Gew.-% Al, 0,8 bis 1,2 Gew.-% Ti, 0,07 bis 0,12 Gew.-% Hf, 2,8 bis 3,2 Gew.-% Re und als Rest Ni.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, bei welchem die Legierung 10 Gew.-% Co, 9 Gew.-% Cr, 10 Gew.-% W, 2,5 Gew.-% Ta, 5,5 Gew.-% Al, 1,5 Gew.-% Ti, 1,5 Gew.-% Hf, 0,15 Gew.-% C und als Rest Ni enthält.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, bei welchem das Superlegierungs-Substrat (10) die folgende Zusammensetzung aufweist: 1,5 bis 9,0 Gew.-% Co, 1,8 bis 4,0 Cr, 0,25 bis 2,0 Gew.-% Mo, 3,5 bis 7,5 Gew.-% W, 7,0 bis 10,0 Gew.-% Ta, 5,0 bis 7,0 Gew.-% Al, 0,1 bis 1,2 Gew.-% Ti, 0 bis 0,15 Gew.-% Hf, 5,0 bis 7,0 Gew.-% Re, 0 bis 0,5 Gew.-% Nb, 0 bis 0,04 Gew.-% C und als Rest Ni.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, bei welchem der Barriere-Überzug (14) durch Plasmaspritzen aufgebracht wird.
Beschichteter Superlegierungs-Gegenstand (10) mit hohem Rheniumgehalt, wobei der Superlegierungs-Gegenstand (10) mehr als 4 Gew.-% Rhenium enthält und auf dem Superlegierungs-Gegenstand (10) mit hohem Rheniumgehalt ein Schutzüberzug (16) aufgetragen ist und der Schutzüberzug (16) aus einem Aluminid-Überzug, einem Chrom-Überzug oder einem MCrAlY-Überzug besteht, wobei M wenigstens eines der Metalle Ni, Co und Fe ist, gekennzeichnet durch einen Barriere-Überzug (14) zwischen dem Schutzüberzug (16) und dem Superlegierungs-Gegenstand mit hohem Rheniumgehalt, wobei der Barriere-Überzug aus einer Legierung besteht, die weniger als 4 Gew.-% Rhenium, bis zu 16 Gew.-% Chrom und bis zu 10 Gew.-% Aluminium enthält und der Barriere-Überzug (14) eine Legierung aufweist, die einen Rheniumgehalt besitzt, der kleiner ist als der Rheniumgehalt des Superlegierungs-Gegenstandes (10) mit hohem Rheniumgehalt.
Beschichteter Superlegierungs-Gegenstand nach Anspruch 17, bei welchem der Schutzüberzug aus einem Aluminid-Silizid-Überzug (36), einem Platin-Aluminid-Silizid-Überzug (46) oder einem Platin-Aluminid-Überzug (26) besteht.
Beschichteter Superlegierungs-Gegenstand nach den Ansprüchen 17 oder 18, bei welchem die Legierung folgende Bestandteile aufweist: 9,3 bis 10,0 Gew.-% Co, 6,4 bis 6,8 Gew.-% Cr, 0,5 bis 0,7 Gew.-% Mo, 6,2 bis 6,6 Gew.-% W, 6,3 bis 6,7 Gew.-% Ta, 5,45 bis 5,75 Al, 0,8 bis 1,2 Gew.-% Ti, 0,07 bis 0,12 Gew.-% Hf, 2,8 bis 3,2 Gew.-% Re und als Rest Ni.
Beschichteter Superlegierungs-Gegenstand nach den Ansprüchen 17 oder 18, bei welchem die Legierung 10 Gew.-% Co, 9 Gew.-% Cr, 10 Gew.-% W, 2,5 Gew.-% Ta, 5,5 Gew.-% Al, 1,5 Gew.-% Ti, 1,5 Gew.-% Hf, 0,15 Gew.-% C und als Rest Ni enthält.
Beschichtetes Superlegierungs-Substrat nach einem der Ansprüche 17 bis 20, bei welchem der Superlegierungs-Gegenstand (10) mit hohem Rheniumgehalt ein Gegenstand aus einer auf Nickel basierenden Superlegierung oder einer auf Kobalt basierenden Superlegierung ist.
Beschichtetes Superlegierungs-Substrat nach Anspruch 21, bei welchem der Superlegierungs-Gegenstand (10) mit hohem Rheniumgehalt ein Einkristall-Superlegierungs-Gegenstand ist.
Beschichteter Superlegierungs-Gegenstand nach einem der Ansprüche 17 bis 22, bei welchem das Superlegierungs-Substrat 1,5 bis 9,0 Gew.-% Co, 1,8 bis 4,0 Gew.-% Cr, 0,25 bis 2,0 Gew.-% Mo, 3,5 bis 7,5 Gew.-% W, 7,0 bis 10,0 Gew.-% Ta, 5,0 bis 7,0 Gew.-% Al, 0,1 bis 1,2 Gew.-% Ti, 0 bis 0,15 Gew.-% Hf, 5,0 bis 7,0 Gew.-% Re, 0 bis 0,5 Gew.-% Nb, 0 bis 0,04 Gew.-% C und als Rest Ni enthält.
Beschichtetes Superlegierungs-Substrat nach einem der Ansprüche 17 bis 23, bei welchem der Superlegierungs-Gegenstand (10) mit hohem Rheniumgehalt eine Turbinenlaufschaufel oder eine Turbinenleitschaufel ist.