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TECHNISCHES GEBIET
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Die
Erfindung betrifft ein spritzbeschichtetes Hochtemperaturbauteil
mit ausgezeichneter Hochtemperaturoxidationsbeständigkeit als Hochtemperaturbauteil,
wie einen Boiler, eine Gasturbine, ein Düsentriebwerk, ein Dieselmotor
oder dergleichen, und ein Verfahren zu seiner Herstellung.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Es
gibt viele Studien im Hinblick auf Hochdruckgeneratoren, wie Boiler,
Gasturbinen, Düsentriebwerke,
Dieselmotoren oder dergleichen, hauptsächlich zur Verbesserung der
Wärmewirksamkeit.
Die Verbesserung der Wärmewirksamkeit
zwingt eine Bauteil (Material) aber eine starke thermische Belastung
auf. Ein Metallmaterial, das im Hochtemperaturabschnitt des Hochdruckgenerators
verwendet wird, muss daher ausgezeichnete Hochtemperaturoxidationsbeständigkeit
und Hochtemperaturkorrosionsbeständigkeit
besitzen. Insbesondere wenn ein Kraftstoff verwendet werden soll,
der Verunreinigungen wie V, Na, S und dergleichen enthält, muss
das Metallmaterial für
einen langen Zeitraum unter einer solchen Umgebung im stabilen Zustand gehalten
werden, weil anorganische Verbindungen, die diese Verunreinigungen
enthalten, Metallmaterial unter Hochtemperatur stark korrodieren
und verschleißen.
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Zur
Erfüllung
dieser Anforderungen hat man früher
viele hitzebeständige
Legierungen entwickelt, die im Wesentlichen aus Nicht-Eisen-Metallelementen
bestehen, wie Cr, Ni, Mo, Co, W, Ta, Al, Ti und dergleichen, die
als Superlegierungen bezeichnet werden.
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Bei
diesen hitzebeständigen
Legierungen ist jedoch die Hochtemperaturfestigkeit am stärksten bevorzugt,
so dass die zugegebene Menge eines Metallelements, das nicht der
Verbesserung der Festigkeit dient, so klein wie möglich gehalten
wird. Ein typisches Beispiel für
ein Metall element, das nicht der Verbesserung der Festigkeit beiträgt, ist
Cr, Al, Si oder dergleichen, aber diese Elemente verleihen ausgezeichnete
Oxidationsbeständigkeit
und Beständigkeit
gegenüber
Hochtemperaturkorrosion. Daher ist es üblich, dass die Superlegierung,
die bevorzugt die oben genannte Hochtemperaturfestigkeit erfordert,
schlechte Oxidationsbeständigkeit
und Beständigkeit
gegenüber
Hochtemperaturkorrosion besitzt.
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Früher hat
man Metallelemente, wie Cr, Al, Si oder dergleichen oder eine Legierung
davon, durch ein Spritzverfahren, ein Diffusionsbehandlungsverfahren
oder dergleichen, auf eine Oberfläche eines unter einer Hochtemperaturumgebungen
verwendeten Bauteils aus Superlegierung vorher aufgebracht, damit
die kleinere Beständigkeit
der Superlegierung gegenüber
chemischer Schädigung
kompensiert wird.
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Beim
Spritzverfahren ist vorteilhaft, dass die Art des Spritzmaterials
gegebenenfalls ausgewählt
werden kann, es besteht aber der Nachteil, dass die erhaltene Beschichtung
porös ist
und schlechte Korrosionsbeständigkeit
und Hafteigenschaften besitzt, weil die Behandlung an Luft durchgeführt wird.
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In
diesem Zusammenhang hat man vor kurzem ein Verfahren entwickelt,
wobei Plasmaspritzen in einer Argongasatmosphäre bei niedrigem Druck durchgeführt wird,
die im Wesentlichen keine Luft (keinen Sauerstoff) enthält (Niederdruckplasmaspritzverfahren).
Dadurch hat man größtenteils
die Nachteile beseitigt, die der Spritzbeschichtung unter Atmosphäre innewohnen.
Man kann aber immer noch nicht sagen, dass eine solche Beschichtung
unter einer neueren Umgebung ausreicht, die einer höheren Temperatur
ausgesetzt ist.
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Dagegen
ist das herkömmliche
Diffusionsbehandlungsverfahren vergleichsweise leicht, werden Cr,
Al, Si und dergleichen einzeln behandelt, aber man kann kaum sagen, dass
die Oxidationsbeständigkeit
und die Beständigkeit
gegenüber
Hochtemperaturkorrosion ausreichend sind. Zudem muss diese Behandlung
bei höherer
Temperatur von etwa 1000°C
durchgeführt
werden, so dass sie den Nachteil besitzt, dass die mechanischen
Eigenschaften der Superlegierungsmatrix kleiner sind.
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Unter
den oben genannten Umständen
schlägt
JP-A-55-104471 ein
Verfahren vor, wobei Ni-Cr-Legierung als oxidationsbeständiges Metall
zur Durchführung
einer Diffusionsbehandlung mit Al, Cr oder dergleichen gespritzt
wird.
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Bei
diesem Verfahren kann die Hochtemperaturbehandlung aber nicht vermieden
werden, so dass unvermeidbar die mechanischen Eigenschaften der
Matrix verringert werden, obwohl die Hafteigenschaften und die Dichte
der Spritzbeschichtung verbessert werden.
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Andererseits
werden Spritzmaterialien für
die Verwendung unter einer Hochtemperaturumgebung entwickelt. Ein übliches
Material ist ein hitzebeständiges
Legierungsmaterial, das durch MCrAlX veranschaulicht wird (wobei
M ein Metall aus Ni, Co oder Fe oder ein Gemisch davon ist). X ist
ein Element, wie Y, Hf, Ta, Cs, Pt, Ce, Zr, La, Si, Th oder dergleichen).
Durch Plasmaspritzen der MCrAlX-Legierung
unter niedrigem Druck kann eine Spritzbeschichtung mit ausgezeichneter
Oxidationsbeständigkeit
und Beständigkeit
gegenüber Hochtemperaturkorrosion
hergestellt werden, und die Leistungen des Hochtemperaturbauteils
sind stärker verbessert.
Zudem wird ein Verfahren vorgeschlagen, wobei die Diffusionsbehandlung
mit Cr, Al oder dergleichen nach Herstellung der MCrAlX-Legierungsspritzbeschichtung
durchgeführt
wird (z. B. JP-B-61-10034).
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Die
Haltbarkeitsdauer des Bauteils für
eine Gasturbine wird recht gut verbessert durch das obige neuere
Spritzverfahren oder die Entwicklung einer Technik, die das Spritzverfahren
und das Diffusionsbehandlungsverfahren kombiniert. Von der Gastemperatur
der Gasturbine wird jedoch in Zukunft erwartet, dass die 1500–1700°C erreicht.
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Es
wird erwartet, dass die Temperatur des Gasturbinenbauteils, das
mit einem solchen Hochtemperaturgas in Kontakt kommt, die gegenwärtigen 900°C übersteigt
und 950–1050°C betragen
wird, sogar wenn das Bauteil mit einem Kühlsystem durch Luft oder Dampf
ausgestattet wird. Zu diesem Zweck wird untersucht, wie die Hochtemperaturfestigkeit
des Bauteils für
die Gasturbine (Metallmatrix) verbessert werden kann.
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Wird
jedoch die Legierungsspritzbeschichtung auf einem solchen Hochtemperaturbauteil
(Metallsubstrat) durch das herkömmliche
Verfahren hergestellt, ist zu befürchten, dass die folgenden
Probleme hervorgerufen werden.
- (1) Steigt die
Temperatur, besteht in dem Hochtemperaturbauteil (Metallsubstrat)
eine starke Tendenz, dass eine Legierungskomponente in einer Spritzbeschichtung,
beispielsweise aus einer MCrAlX-Legierung (wobei M ein oder mehr
Elemente aus Ni, Co und Fe ist, X ein oder mehr Elemente aus Y,
Hf, Ta, Cs, Pt, Ce, Zr, La, Si und Th ist), die auf der Oberfläche hergestellt
ist, oder einer Verbundspritzbeschichtung, die eine Diffusionsschicht
darin enthält,
in das Innere des Metallsubstrats diffundiert und eindringt, so
dass eine dicke Versprödungsschicht
in einem Grenzabschnitt zwischen der Spritzschicht und der Substratoberfläche entsteht,
wodurch die Spritzbeschichtung leicht abblättert.
- (2) Unter den Komponenten der MCrAlX-Legierung, die in das Innere
des Metallsubstrats eingedrungen ist, reagiert besonders Al mit
im Metallsubstrat enthaltenem Ni unter Bildung einer spröden Intermetallverbindung,
wie AlNi, AlCo oder dergleichen, und bewirkt, dass eine Hochtemperaturfestigkeitskomponente
oder ein im Substrat vorhandener Niederschlag entfernt wird. Dadurch
verringert sich die Hochtemperaturfestigkeit des Substrats als Ganzes,
und es neigt zu Rissen oder lokalen Brüchen aufgrund von thermischer
Ermüdung.
- (3) Sogar in der MCrAlX-Legierungsspritzbeschichtung diffundieren
Ni, Cr und dergleichen, die Basisverbindungen sind, unter Bildung
einer Versprödungsschicht,
wodurch die Beständigkeit
gegenüber
thermischem Schock in der Beschichtung beträchtlich sinkt.
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Man
sagt, dass die Probleme dadurch zustande kommen, dass die Komponenten
der auf die Oberfläche
des Substrats aufgebrachten MCrAlX-Legierungsspritzbeschichtung
in das Substrat diffundieren und eindringen. Als Gegenmaßnahme dafür wird das
Verhindern von Diffusion und Eindringen der Legierungskomponenten
der Spritzbeschichtung als wirksame Maßnahme erwogen.
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Als
eine derartige Maßnahme
gibt es ein Verfahren, wobei ein Metall mit hohem Schmelzpunkt (Nb, Ta)
oder eine dünne
Schicht (10–100 μm) eines
Oxidfilms, wie Al2O3,
direkt auf der Oberfläche
des Substrats durch ein Spritzverfahren oder ein PVD-Verfahren hergestellt
wird und die herkömmliche
MCrAlX-Legierungsspritzbeschichtung darauf hergestellt wird, damit
die innere Diffusion der MCrAlX-Legierungskomponenten kontrolliert
werden kann.
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Bei
diesem Verfahren wird aber ein von den MCrAlX-Legierungskomponenten verschiedenes,
teures Metall verwendet, oder das PVD-Verfahren, das einen Elektronenstrahl
als Wärmequelle
verwendet, wird zur Herstellung des Al2O3-Films
verwendet, so dass verschiedene Filmbildungsverfahren verwendet
werden müssen
und die Produktivität
gesenkt wird.
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Zudem
lockert das Verhindern der internen Diffusion der Legierungskomponenten
durch dieses Verfahren die Diffusionsschicht, die zur Gewährleistung
einer Haftung zwischen dem Substrat und der Spritzbeschichtung erforderlicht
ist, wodurch sich die Hafteigenschaften der Beschichtung beträchtlich
verringern.
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US-A-4451496
offenbart ein spritzbeschichtetes Bauteil mit einer oxidhaltigen
Grundierungsspritzschicht und einer Nicht-Oxid-Abschlussspritzschicht,
die auf ein hitzebeständiges
Substrat aufgebracht werden. Beide Schichten basieren auf dem Material
MCrAlX, wobei M ein oder mehr Elemente aus Nickel, Kobalt und Eisen
ist und X Yttrium ist.
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Es
ist eine Aufgabe der Erfindung, die oben genannten Probleme der
herkömmlichen
Verfahren zu lösen
und ein Beschichtungsverfahren vorzuschlagen, mit dem Probleme,
wie eine Verringerung der Produktivität, eine Kontamination der Legierungsschicht
aufgrund der Aufnahme eines anderen Metalls, erhöhte Kosten aufgrund der Verwendung
eines anderen Beschichtungsverfahrens und dergleichen, vorteilhafterweise
gelöst werden
können.
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OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
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Die
Erfindung liegt nicht in einem Verfahren, bei dem eine andere Filmbildungsmaßnahme und
ein anderes Metall als bei dem herkömmlichen Verfahren verwendet
werden, sondern in einem Verfahren zur Herstellung einer Beschichtung
mit ausgezeichneter Beständigkeit
gegenüber
Hochtemperaturoxidation unter Verwendung der gleichen Filmbildungsmaßnahme,
des gleichen Metalls und des gleichen Metalloxids.
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D.
h., die Erfindung ist ein auf den folgenden Überlegungen basierendes Verfahren:
- (1) Es soll verhindert werden, dass die Komponenten
der auf der Oberfläche
des Bauteils, das hoher Temperatur ausgesetzt ist, hergestellten
MCrAlX-Legierungsspritzbeschichtung
mit der Erhöhung
der Temperatur in der Gasturbine schnell in das Innere des Substrats
diffundieren.
- (2) Es sollen gute mechanische Eigenschaften über einen
langen Zeitraum durch Verhindern der Bildung des Wachstums einer
modifizierten Schicht mit schlechter mechanischer Festigkeit und
schlechter thermischen Festigkeit auf der Oberfläche eines Hochtemperatursubstrats
aufrechterhalten werden.
- (3) Es soll die Verwendung eines anderen Filmbildungsverfahrens,
wie die Bildung einer Al2O3-Dünnfilm-Grundierungsschicht
durch ein PVD-Verfahren oder dergleichen, und die Herstellung einer
MCrAlX-Legierungsspritzbeschichtung
durch ein Spritzverfahren beseitigt werden.
- (4) Es soll die Notwendigkeit beseitigt werden, dass ein anderes
Metall mit hohem Schmelzpunkt, wie Nb, Ta oder dergleichen, als
Grundierungsschicht vor dem Spritzen der MCrAlX-Legierung gespritzt
werden muss.
- (5) Es soll verhindert werden, dass die Beständigkeit gegenüber Hochtemperaturoxidation
aufgrund eines Metalls abnimmt, wie Nb, Ta oder dergleichen, das
in die MCrAlX-Legierung
eingeschlossen wird, wenn die Säuberung
der Leitung unzureichend ist.
- (6) Beim herkömmlichen
Verfahren verringert der als untere Schicht hergestellte Dünnfilm,
beispielsweise Al2O3,
Nb, Ta oder dergleichen, die Hafteigenschaften der MCrAlX-Legierungsbeschichtung
als obere Schicht, so dass der Film schwierig herzustellen ist (wird
die innere Diffusion der MCrAlX-Legierung durch Al2O3 oder dergleichen verhindert, verursacht
dieses Abblättern
aufgrund der Verringerung der Haftungseigenschaften, werden dagegen
die Hafteigenschaften verbessert, wird die Diffusion der Legierung
in das Innere des Substrats tiefer, wodurch sich die mechanischen
Eigenschaften des Substrats selbst verringern). Erfindungsgemäß kann der
Film durch ein einfaches Verfahren hergestellt werden, ohne dass
die obige komplizierte Kontrolle nötig ist.
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Erfindungsgemäß wird ein
spritzbeschichtetes Bauteil zur Verwendung bei hoher Temperatur
bereitgestellt, umfassend eine Verbundspritzbeschichtung, welche
umfasst:
eine oxidhaltige Grundierungsspritzschicht, die erhalten
wird durch Spritzen eines Spritzmaterials aus einer MCrAlX-Legierung
(wobei M eines oder mehr der Elemente Ni, Co und Fe ist und X eines
oder mehr der Elemente Y, Hf, Ta, Cs, Pt, Ce, Zr, La, Si und Th
ist), das ein Pulver aus einem oder mehr Oxiden enthält, die
aus CoO, NiO, Cr2O3,
Al2O3, Y2O3, MgO, SiO2 und ZrO2 ausgewählt sind,
auf eine Oberfläche
eines hitzebeständigen
Legierungssubstrates an Luft, wobei die Gesamtmenge Oxidpulver,
die in der Grundierungsspritzschicht enthalten ist, im Bereich von
0,2 bis 20 Gew.-% liegt;
eine Nicht-Oxid-Abschlussspritzschicht,
die erhalten wird durch Spritzen eines Spritzmaterials aus einer MCrAlX-Legierung
(wobei M eines oder mehr der Elemente Ni, Co und Fe ist und X eines
oder mehr der Elemente Y, Hf, Ta, Cs, Pt, Ce, Zr, La, Si und Th
ist) auf die Grundierung unter Niederdruck, der im Wesentlichen keinen
Sauerstoff enthält;
und
eine Al- oder Cr-Diffusionsschicht, die auf der äußeren Oberfläche der
Abschlussschicht hergestellt wird.
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Die
Erfindung stellt zudem ein Verfahren bereit zur Herstellung eines
spritzbeschichteten Bauteils zur Verwendung bei hoher Temperatur,
wobei
- (1) eine oxidhaltige Grundierungsspritzschicht
erhalten wird durch Spritzen eines Gemisches aus einem MCrAlX-Legierungsmaterial
(wobei M eines oder mehr der Elemente Ni, Co und Fe ist und X eines
oder mehr der Elemente Y, Hf, Ta, Cs, Pt, Ce, Zr, La, Si und Th
ist) und einem oder mehr Oxiden, die aus CoO, NiO, Cr2O3, Al2O3,
Y2O3, MgO, SiO2 und ZrO2 ausgewählt sind,
auf eine Oberfläche
eines hitzebeständigen Legierungssubstrats
an Luft durch ein filmbildendes Spritzverfahren, wobei die Gesamtmenge
Oxidpulver, die in der Grundierungsspritzschicht enthalten ist,
im Bereich von 0,2 bis 20 Gew.-% liegt;
- (2) eine Nicht-Oxid-Abschlussspritzschicht darauf hergestellt
wird durch Spritzen eines MCrAlX-Legierungsmaterials
(wobei M eines oder mehr der Elemente Ni, Co und Fe ist und X eines
oder mehr der Elemente Y, Hf, Ta, Cs, Pt, Ce, Zr, La, Si und Th
ist) auf die Grundierung unter Niederdruck, der im Wesentlichen
keinen Sauerstoff enthält,
mithilfe eines filmbildenden Spritzverfahrens; und
- (3) nach der Herstellung der Abschlussschicht zudem eine Al-Diffusionsbehandlung
oder Cr-Diffusionsbehandlung derart darauf durchgeführt wird,
dass die Al-Konzentration oder Cr-Konzentration im Oberflächenanteil
der Abschlussschicht erhöht
wird.
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Bei
einer Ausführungsform
des Verfahrens wird die MCrAlX-Legierung mit 0,2 bis 20 Gew.-% verschiedener
Oxidpulver gemischt und direkt auf dem einer hohen Temperatur ausgesetzten
Bauteil in einer Dicke von 10 bis 300 μm durch ein Atmosphären-Plasmaspritzverfahren
oder Flammspritzverfahren hergestellt. Anschließend wird darauf die MCrAlX-Legierung,
die kein Oxid enthält,
in einer Dicke von 100 bis 800 μm
durch ein Niederdruckplasmaspritzverfahren in einer nichtoxidierenden
Atmosphäre
hergestellt. Die Spritzbeschichtung, die durch dieses Verfahren
auf dem einer hohen Temperatur ausgesetzten Bauteil hergestellt
wird, wird einer Hitzebehandlung an Luft oder einer Argonatmosphäre oder
unter Vakuum ausgesetzt, wenn nötig,
so dass die gegenseitige Bindungskraft von Teilchen verstärkt wird,
welche die MCrAlX-Legierungsspritzbeschichtung ausmachen, die als
obere Schicht (Abschlussschicht) hergestellt wurde. So wird eine
Verdichtung durchgeführt,
wodurch das Einwandern korrosiver Gaskomponenten aus der Umgebung
verhindert wird und die Hafteigenschaften an die untere Schicht
(Grundierungsschicht) verbessert werden. Nach der Hitzebehandlung
wird die Verbundspritzbeschichtung einer Al-Diffusions- oder Cr-Diffusionsbehandlung
unterworfen, damit eine größere Beständigkeit
gegenüber
Hochtemperaturoxidation erhalten wird.
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Erfindungsgemäß wird in
die Grundierungsspritzbeschichtung ein Pulver eingebracht aus ein
oder mehr Oxiden, die aus CoO, NiO, Cr2O3, Al2O3,
Y2O3, MgO, SiO2 und ZrO2 ausgewählt sind.
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Die
in die Grundierungsspritzschicht eingebrachte Gesamtmenge an Oxidpulver
liegt im Bereich von 0,2 bis 20 Gew.-%.
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Erfindungsgemäß besitzt
die Abschlussspritzbeschichtung zudem eine Al- oder Cr-Diffusionsschicht auf
ihrer Oberfläche.
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Erfindungsgemäß hat die
Grundierungsspritzbeschichtung vorzugsweise eine Dicke von 10 bis
300 μm und
die Abschlussspritzbeschichtung eine Dicke von 100 bis 800 μm.
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Erfindungsgemäß wird vorzugsweise
aus einer Legierungskomponente eine dünne Diffusionsschicht von nicht
mehr als 70 μm
auf der Oberfläche
des Substrats gebildet, wird es unter den Bedingungen 1100°C 8 Std.
erhitzt.
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Erfindungsgemäß wird vorzugsweise
nach der Herstellung der Abschlussschicht eine Hitzebehandlung in
Bezug auf die Abschlussschicht durchgeführt in einer Luft- oder Argonatmosphäre oder
unter Vakuum bei 1000 bis 1170°C
für 1 bis
5 Std.
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Erfindungsgemäß wird nach
der Herstellung der Abschlussschicht zudem eine Al-Diffusionsbehandlung
oder Cr-Diffusionsbehandlung
darauf ausgeführt,
wobei die Al-Konzentration
oder Cr-Konzentration im Oberflächenanteil
der Abschlussschicht erhöht
wird.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Es
zeigt:
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1 eine schematische Teilansicht
eines Querschnitts einer herkömmlichen
MCrAlX-Legierungsspritzbeschichtung,
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2 eine schematische Teilansicht
eines Querschnitts einer Spritzbeschichtung eines Bezugsbeispiels,
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3 eine schematische Teilansicht
eines Querschnitts einer anderen, erfindungsgemäßen Verbundspritzbeschichtung.
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BESTES VERFAHREN ZUR DURCHFÜHRUNG DER
ERFINDUNG
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Die
Erfindung schlägt
eine Verbundbeschichtung aus einer MCrAlX-Legierung, die gute Hafteigenschaften
und eine ausgezeichnete Beständigkeit
gegenüber
Hochtemperaturoxidation trotz eines gewissen Ausmaßes an Diffusion
in das Innere eines Substrats besitzt, und ein Verfahren zur Beschichtung
einer seiner Oberflächen
vor. Die Einzelheiten der Struktur der Verbundbeschichtung sind
im folgenden beschrieben.
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A. Grundierungsschicht
aus einer MCrAlX-Legierungsspritzbeschichtung
und deren Herstellung
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Als
zu behandelndes Substrat wird Legierung auf Ni-Basis, Co-Basis oder dergleichen verwendet,
die häufig
als Gasturbinenschaufel eingesetzt wird. Nach Entfetten und Aufrauen
der Oberfläche
des Substrats durch eine Strahlbehandlung wird die MCrAlX-Legierung
in einer Dicke von 10–300 μm an Luft
unter Herstellung einer Grundierungsschicht aufgebracht. Wird die
an Luft gespritzte Grundierungsschicht für das Spritzen durch eine Wärmequelle
erhitzt oder in einen schmelzflüssigen
Zustand überführt, wird
sie durch Luft (Sauerstoff) oxidiert, die aus der Peripherie der
Wärmequelle
eintritt, so dass sich ein Oxidfilm auf der Oberfläche der MCrAlX-Legierungsteilchen
bildet. D. h. die Grundierungsschicht besteht aus dem Aggregat der
mit einem Oxidfilm bedeckten MCrAlX-Legierungsteilchen. Der Untersuchung
der Erfinder zufolge beträgt
der Gehalt an Oxid in der MCrAlX-Legierungsspritzbeschichtung 0,9–1,5 Gew.-%
im Falle der Herstellung durch ein Atmosphären-Plasmaspritzverfahren und 0,1–0,15 Gew.-%
(in diesem Fall ist der Wert auf Sauerstoff umgerechnet) im Falle
der Herstellung durch ein Hochgeschwindigkeitsflammspritzverfahren.
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Die
an der Oberfläche
mit dem Oxidfilm bedeckten MCrAlX-Legierungsteilchen besitzen eine
schwache gegenseitige Bindungskraft zwischen den Teilchen und natürlicherweise
ungenügende
Hafteigenschaften an das Substrat, und die Beschichtung selbst ist
porös.
Daher besitzen sie eine schlechte Beständigkeit gegenüber Hochtemperaturoxidation
und sind als Beschichtung für
die Gasturbinenschaufel als solche ungenügend. Zu diesem Zweck wird
der obige Nachteil des Atmosphären-Plasmaspritzverfahrens
gewöhnlich
durch Anwendung eines Niederdruckplasmaspritzverfahrens beseitigt,
das im Wesentlichen keinen Sauerstoff umfasst. Die gesamten Spritzbeschichtungen
für bestehende
Gasturbinenschaufeln werden durch ein Niederdruckplasmaspritzverfahren
hergestellt.
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Die
durch das Niederdruckplasmaspritzverfahren hergestellte MCrAlX-Legierungsspritzbeschichtung enthält jedoch
kein Oxid und besitzt eine starke chemische Wirkungskraft, so dass
es in hohem Maße
in das Substrat diffundiert und die Probleme wie oben erwähnt verursacht,
wird die Gasturbine bei höherer
Temperatur verwendet.
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Unter
den obigen Umständen
haben die Erfinder erwogen, dass das Oxid, wird es zuvor in die MCrAlX-Legierungsbeschichtung
eingeschlossen, die oben genannte Diffusion behindert und die obigen,
mit der Verwendung der Gasturbine bei höherer Temperatur einhergehenden
Probleme lösen
kann. D. h. dies ist der hauptsächliche
Grund dafür,
dass das Atmosphären-Plasmaspritzverfahren
oder das Hochgeschwindigkeitsflammspritzverfahren als Verfahren
zur Herstellung der Grundierungsschicht bei der Erfindung eingesetzt werden.
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Zudem
werden die Oxide in der an Luft gespritzten MCrAlX-Legierungsspritzbeschichtung
mit Oxiden der Legierungskomponenten hergestellt, wie CoO oder NiO,
ist M Co oder Ni, Cr2O3,
Al2O3 und Y2O3, ist X Y oder
das Oxid mit den gleichen Komponenten. Zudem sind verglichen mit
ihren Metallkomponenten alle Oxide unwirksam und diffundieren nicht
in die Legierung des Substrats und besitzen ausgezeichnete Hitzebeständigkeit.
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Wird
die Spritzbeschichtung der MCrAlX-Legierung, die das Oxid wie oben
erwähnt
enthält,
auf die Oberfläche
des Substrats als Grundierungsschicht aufgebracht, behindert das
oben genannte Oxid die Diffusion der MCrAlX-Legierung, sogar wenn
die Temperatur der Verwendungsumgebung nicht kleiner als 1000°C ist. Somit
wird die übermäßige Diffusion
in das Innere des Substrats beseitigt. Das Oxid, das in der an Luft hergestellten
Spritzbeschichtung aus der MCrAlX-Legierung vorhanden ist, ist jedoch
uneinheitlich, und die Eigenschaften des Oxids selbst sind verglichen
mit denjenigen eines stöchiometrischen
Oxids oft unvollständig. Andererseits
sind in der Legierung viele nicht oxidierte Teilchen zugegen.
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Wird
eine solche Spritzbeschichtung auf höhere Temperatur erhitzt, tritt
daher etwas Diffusion in das Innere des Substrats auf. Die Diffusionsrate
und -menge sind jedoch sehr klein verglichen mit denjenigen einer Beschichtung,
die durch das Niederdruckplasmaspritzverfahren hergestellt wird.
Es kann zudem sehr vorteilhaft sein, wird die innere Diffusion in
gewissem Ausmaß verursacht,
damit die MCrAlX-Legierungsspritzbeschichtung auf der Oberfläche des
Substrats über
einen langen Zeitraum stabil zugegen ist. Deshalb muss die durch
ein Atmosphären-Plasmaspritzverfahren
hergestellte Grundierungsbeschich tung aus der MCrAlX-Legierung eine
an die obigen Bedingungen angepasste Beschichtung sein.
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Fehlt
Oxid nur in der durch ein Atmosphären-Plasmaspritzverfahren hergestellten
MCrAlX-Legierungsspritzbeschichtung,
werden 0,2–20
Gew.-% Oxidpulver (Teilchengröße 5–10 μm) als Bestandteil
der MCrAlX-Legierung zuvor zu dem Spritzmaterial gegeben, das zur
weiteren Kontrolle der Diffusion in das Innere des Substrats aufgespritzt
wird. Beträgt
die Gesamtmenge Oxid weniger als 0,2 Gew.-%, behindert es weniger die
Diffusion. Beträgt
es mehr als 20 Gew.-%, wird dagegen die Diffusion völlig verhindert,
und die Adhäsionsfunktion
als Grundierungsschicht geht verloren.
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Die
Dicke der Grundierungsspritzschicht liegt im Bereich von 10–300 μm, vorzugsweise
im Bereich von 50–100 μm. Ist sie
dünner
als 10 μm,
kann die Schicht durch das Spritzverfahren schwierig in gleichmäßiger Dicke
hergestellt werden. Ist sie dagegen dicker als 300 μm, bewirkt
sie keine bessere Behinderung der Diffusion mehr, und sie ist unökonomisch.
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B. Abschluss-MCrAlX-Legierungsspritzschicht
und ihre Herstellung
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Die
Grundierungsspritzschicht der MCrAlX-Legierung, die das Oxid enthält, hat
eine kleine Diffusionsrate in das Innere des Substrats, aber auch
eine kleine Bindungskraft zwischen den Teilchen, die die Beschichtung
als solche ausmachen. Zudem ist sie porös, so dass das Problem auftritt,
dass der zu behandelnde Körper
(z. B. eine Turbinenschaufel) bei hoher Temperatur oxidiert oder
einer Hochtemperaturkorrosion durch eine Brenngaskomponente unterliegt,
die durch die Poren der Beschichtung eintritt, wird er unter der
Betriebsumgebung einer Gasturbine bei hoher Temperatur verwendet.
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Zur
Lösung
dieses Problems wird erfindungsgemäß auf der Grundierungsspritzschicht
zudem eine Abschlussspritzschicht aus einer MCrAlX-Legierung durch
ein Niederdruckplasmaspritzverfahren in einer nichtoxidierenden
Atmosphäre
hergestellt. Die Abschlussspritzschicht besitzt eine starke Bindungskraft
zwischen den Teilchen und gute Hafteigenschaften an die Grundierungsspritzschicht.
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Nach
Herstellung der Abschlussspritzschicht sind die Poren der Abschlussspritzschicht
vollständig verschwunden,
wird eine Hitzebehandlung an Luft oder einer Argonatmosphäre oder
unter Vakuum bei 1000–1700°C 1–5 Stunden
durchgeführt,
wodurch die Beständigkeit
gegenüber
Hochtemperaturoxidation und die Beständigkeit gegenüber Hochtemperaturkorrosion
genügend
verbessert werden können.
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Die
Oberfläche
der Beschichtung nach Herstellung der Abschlussspritzschicht wird
einer Al- oder Cr-Diffusionsbehandlung
unterworfen. Dadurch wird eine Schicht mit hoher Al- oder Cr-Konzentration
und ausgezeichneter Oxidationsbeständigkeit auf der äußeren Oberfläche der
Abschlussspritzschicht hergestellt, und es entwickelt sich zudem
eine stärkere
Bindungskraft zwischen den Teilchen, die die Abschlussschicht ausmachen.
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Als
Al- oder Cr-Diffusionsbehandlung verwendet man ein Pulververfahren
(der zu behandelnde Körper wird
in Pulver aus Al-Metall, Al-Legierungspulver, Al2O3-Halogenid,
Cr-Metall, Cr-Legierungspulver oder dergleichen eingebettet und
bei 900–1100°C 3–10 Stunden
erhitzt), ein chemisches Abscheidungsverfahren (Al-Metall, Cr-Metall
werden gefällt,
indem organische oder anorganische Al-, Cr-Verbindungen einer Wärmezersetzungs-
oder Wasserstoffreduktionsreaktion unterworfen und dann an die Oberfläche des
zu behandelnden Körpers
gebunden werden), ein physikalisches Zersetzungsverfahren (Al oder
Cr wird durch eine Wärmequelle,
wie Elektronenstrahl oder dergleichen, ver dampft und an die Oberfläche des
zu behandelnden Körpers gebunden)
oder dergleichen.
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Die
Dicke der Abschlussspritzschicht liegt im Bereich von 100–800 μm, vorzugsweise
im Bereich von 200–500 μm. Ist sie
kleiner als 100 μm,
ist die Beständigkeit
gegenüber
Hochtemperaturoxidation zu klein. Übersteigt sie dagegen 800 μm, werden
die Leistungen als Beschichtung nicht sehr stark verbessert, und
sie ist unökonomisch.
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Zwar
ist die Herstellung der Grundierungsspritzschicht und der Abschlussspritzschicht
durch das Atmosphären-Plasmaspritzverfahren
oder das Niederdruckplasmaspritzverfahren beschrieben, aber das
folgende Verfahren kann hinsichtlich Funktion und Mechanismus verwendet
werden.
- 1) Eine wesentliche Bedingung bei der
Herstellung der Grundierungsschicht ist, dass das Oxid in die Beschichtung
durch Spritzen an Luft eingeschlossen wird. Dies bedeutet, dass
die Brennflamme eine brennbaren Gases, die Explosionsenergie eines
brennbaren Gases oder dergleichen zusätzlich zu Plasma als Spritzwärmequelle
verwendet werden kann.
- 2) Bei der Herstellung der Abschlussschicht ist das Niederdruckplasmaspritzverfahren
optimal, das die Beschichtung in einer Atmosphäre im Wesentlichen ohne Sauerstoff
herstellt, aber ein Druckplasmaspritzverfahren oder ein Spritzverfahren
unter Verwendung eines Lasers als Wärmequelle können verwendet werden, enthält die Atmosphäre im Wesentlichen
keinen Sauerstoff. Zudem kann man sagen, dass es möglich ist,
die Beschichtung durch ein Abscheidungsverfahren unter Verwendung
eines Elektronenstrahls als Wärmequelle
in einem Vakuumgefäß zu verwenden.
- 3) Die Kombination der in der Grundierungsschicht und der Abschlussschicht
verwendeten MCrAlX-Legierungsmaterialien
ist nicht besonders beschränkt,
weil die Aufgabe der Erfindung sogar mit jeder Kombination er zielt
werden kann, enthält
die Legierung die gleichen Komponenten oder wird sie durch MCrAlX
dargestellt.
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1 zeigt schematisch eine
Querschnittstruktur der MCrAlX-Legierungsspritzbeschichtung, die durch
das herkömmliche
Niederdruckplasmaspritzverfahren hergestellt wurde, wobei eine MCrAlX-Legierungsschicht 2 auf
einem Substrat 1 eines Bauteils hergestellt ist, das hoher
Temperatur ausgesetzt ist. Wird die Legierungsbeschichtung auf eine
höhere
Temperatur über
1000°C erhitzt,
diffundieren die Legierungskomponenten tief in das Innere des Substrats 1.
Siehe 2: Bei einem Bezugsbeispiel
wird eine oxidhaltige Grundierungsspritzschicht 4 aus einer
MCrAlX-Legierung
durch das Atmosphären-Plasmaspritzverfahren
hergestellt, und dann wird eine Abschlussspritzschicht 2 aus
einer MCrAlX-Legierung darauf durch ein Niederdruckspritzverfahren
hergestellt. Dabei ist die Diffusion in das Innere des Bauteils
klein, sogar wenn es einer höheren
Temperatur ausgesetzt wird.
-
D.
h. es gibt einen Zustand der Herstellung einer Diffusionsschicht 3' mit sehr kleiner
Dicke von nicht mehr als 70 μm,
vorzugsweise nicht mehr als 60 μm,
stärker
bevorzugt nicht mehr als 40 μm
auf dem Substrat 1.
-
3 zeigt ein erfindungsgemäßes Beispiel
für eine
Al-Diffusionsschicht, die auf der äußeren Oberfläche einer
Abschlussspritzschicht 2 hergestellt worden ist.
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Im
folgenden wird die chemische Zusammensetzung der erfindungsgemäß verwendeten
Spritzbeschichtung wie oben erwähnt
als MCrAlX-Legierung bezeichnet, und einer übliche Zusammensetzung dieser Legierung
wird wie folgt dargestellt.
M-Komponente: Ni (0–75 Gew.-%),
Co (0–70
Gew.-%), Fe (0–30
Gew.-%)
Cr-Komponente: 5–10
Gew.-%
Al-Komponente: 1–29
Gew.-%
X-Komponente: Y (0–5
Gew.-%), Hf (0–10
Gew.-%)
-
Erfindungsgemäß können, wenn
nötig,
zusätzlich
zu den obigen Komponenten zugegeben werden: Ta (1–20 Gew.-%),
Si (0,1–14
Gew.-%), B (0–0,1
Gew.-%), C (0–0,25
Gew.-%), Mn (0–10
Gew.-%), Zr (0–3 Gew.-%),
W (0–5,5
Gew.-%), Cs, Ce, La (jeweils 0–5
Gew.-%), Pt (0–20
Gew.-%).
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BEISPIELE
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Bezugsbeispiel (nicht
erfindungsgemäß)
-
Bei
diesem Bezugsbeispiel werden die Tiefen von Diffusionsschichten
in das Innere des Substrats aus einer Legierung auf Ni-Basis in
einer Verbundspritzbeschichtung verglichen, die auf der Oberfläche des
Substrats aus einer Legierung auf Ni-Basis hergestellt wird und
aus einer Grundierungsspritzschicht aus einer MCrAlX-Legierung,
die durch ein Atmosphären-Plasmaspritzverfahren
hergestellt wird, und einer Abschlussspritzschicht aus einer MCrAlX-Legierung besteht,
die durch ein Niederdruckplasmaspritzverfahren hergestellt wird.
-
Zudem
werden in den folgenden Beispielen verschiedene Arten der Spritzmaterialien
aus einer MCrAlX-Legierung verwendet, und ihre chemischen Zusammensetzungen
sind in Tabelle 1 gezeigt. D. h. die Spritzmaterialien können grob
unterteilt werden in ein Legierungsspritzmaterial, das kein Ni enthält (A),
ein Legierungsspritzmaterial, das kein Co enthält (B, C, D, E), ein Legierungsspritzmaterial,
das Ni und Co enthält
(F, G) und ein Material, das durch Zugabe von 5 Gew.-% Ta, das in
den anderen Legierungen nicht enthalten ist, zur Legierung G erhalten
wird.
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A. Testproben
-
Die
Legierung auf Ni-Basis (15,3 Gew.-% Ni, 7 Gew.-% Fe, 2,5 Gew.-%
Ti, 2 Gew.-% Mo, 10 Gew.-% Co, Rest Ni), wird zu einem Probestab
mit einem Außendurchmesser
von 15 mm und einer Länge
von 50 mm geformt, auf dem eine Beschichtung mit einer Dicke von
300 μm unter
Verwendung der in Tabelle 1 gezeigten MCrAlX-Legierung (A, C, E,
F, G) durch das folgende Spritzverfahren hergestellt wird.
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1) Verbundspritzschicht
aus einer MCrAlX-Legierung
-
Die
MCrAlX-Legierung wird in einer Dicke von 100 μm durch ein Atmosphären-Plasmaspritzverfahren aufgebracht
und dann darauf in einer Dicke von 200 μm durch ein Niederdruckplasmaspritzverfahren
aufgebracht, so dass sie eine Gesamtdicke von 300 μm besitzt.
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2) MCrAlX-Legierungsspritzbeschichtung
zum Vergleich
-
Die
gleiche MCrAlX-Legierung wie oben erwähnt wird in einer Dicke von
300 μm durch
ein Niederdruckplasmaspritzverfahren aufgebracht.
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B. Experimentelles Erhitzungsverfahren
-
Nachdem
die Testprobe der MCrAlX-Legierungsschicht in einem elektrischen
Ofen bei 1100°C
8 Std. unter strömendem
Argongas erhitzt wurde, wird die Testprobe geschnitten, um den Diffusionszustand
der Legierungsschichtkomponenten in die Legierung auf Ni-Basis mithilfe
eines optischen Mikroskops zu untersuchen.
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C. Ergebnisse
-
In
Tabelle 2 sind Ergebnisse zusammengefasst, die an der Tiefe der
Diffusionsschicht in das Substrat auf der Basis von Ni-Legierung
durch das obige Erhitzungsexperiment gemessen wurden. Aus diesen
Ergebnissen ist ersichtlich, dass die Diffusionsschicht einer Ein-Phasen-Beschichtung der
Vergleichsbeispiele, die durch das Niederdruckplasmaspritzverfahren
erhalten wird, (Testproben Nr. 6–10) 87–98 μm erreicht, was einer hohen
Diffusionsfähigkeit
entspricht.
-
Die
Verbundspritzschicht (Testproben Nr. 1–5) stoppt bei einer Tiefe
von 49–61 μm, so dass
eine Verflachung der Diffusion in das Innere der Legierung auf Ni-Basis
beobachtet wird.
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-
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Bemerkung
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- (1) Eine Spritzschicht aus MCrAlX-Legierung
in den Proben Nr. 1–6
ist nur eine Schicht von 300 μm,
die durch ein Niederdruckplasmaspritzverfahren hergestellt wurde.
-
Beispiel 1
-
Bei
diesem Beispiel wurden die Hafteigenschaften der Beschichtungen
verglichen, indem die auf dem Substrat aus einer Legierung auf Ni-Basis
hergestellte erfindungsgemäße Verbundspritzschicht
oder die Schicht, die aus der Atmosphären-Plasmaspritzbeschichtung
aus einer MCrAlX-Legierung
(Grundierungsschicht) und der Niederdruckplasmaspritzbeschichtung
aus der gleichen Legierung (Abschlussschicht) besteht, einem Temperaturschocktest
unterworfen wurden.
-
A. Testprobe
-
(1) Verbundspritzschicht
aus einer MCrAlX-Legierung
-
Auf
das Substrat aus einer Legierung auf Ni-Basis, das im Bezugsbeispiel
1 verwendet wurde, wurde die Grundierungsschicht in einer Dicke
von 100 μm
unter Verwendung von vier Arten der MCrAlX-Legierungen (A, B, C,
D) durch ein Atmosphären-Plasmaspritzverfahren
hergestellt, und die Abschlussschicht, die eine Dicke von 200 μm besitzt,
wurde darauf unter Verwendung der gleichen MCrAlX-Legierung durch
ein Niederdruckplasmaspritzverfahren hergestellt.
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(2) MCrAlX-Legierungsspritzschicht
des Vergleichsbeispiels
-
- a. Auf dem obigen Substrat aus einer Legierung
auf Ni-Basis wurde eine Beschichtung mit einer Dicke von 300 μm unter Verwendung
der gleichen vier Arten der MCrAlX-Legierung (A, B, C, D) durch ein Atmosphären-Plasmaspritzverfahren
hergestellt.
- b. Auf dem obigen Substrat aus einer Legierung auf Ni-Basis
wurde eine Beschichtung mit einer Dicke von 300 μm unter Verwendung der gleichen
vier Arten der MCrAlX-Legierung
(A, B, C, D) durch ein Niederdruckplasmaspritzverfahren hergestellt.
-
B. Al-Diffusionsbehandlung
-
Die
Al-Diffusionsbehandlung wurde auf die Hälfte der Testproben der Verbundspritzschichten
nach A(1) und die Atmosphären-Plasmaspritzschichten
des Vergleichsbeispiels und alle Niederdruckplasmaspritzschichten
für die
Ab schlussschicht angewendet. Die Bedingungen waren wie folgt.
- – Diffusionskomponente
(Ni-Al-Legierung 30 Gew.-%, Al2O3 69 Gew.-%, NH4Cl
1 Gew.-%)
- – Behandlungsbedingungen:
930°C 4
Std.
-
C. Ergebnisse
-
Die
experimentellen Ergebnisse sind in Tabelle 3 gezeigt. Aus der Tabelle
ist ersichtlich, dass bei den Atmosphären-Plasmaspritzbeschichtungen
des Vergleichsbeispiels (Testproben Nr. 5–8) die Schicht aus der MCrAlX-Legierung
nach 12–16maligem
Wiederholen des Temperaturschocks abblätterte. Wird sie der Al-Diffusionsbehandlung
unterworfen, wurde die Wirkung etwas beobachtet, war aber ungenügend.
-
Dagegen
waren die Niederdruckplasmaspritzbeschichtungen (Testproben Nr.
9–12)
beständig
gegenüber
nicht weniger als 25maligem Temperaturschock und behielten einen
guten Zustand und zeigten sogar beim Vergleichsbeispiel gute Hafteigenschaften.
Diese Beschichtungen hatten aber den Nachteil, dass eine große Diffusionsschicht
in das Innere der Legierung auf Ni-Basis gebildet wurde, wie das
Bezugsbeispiel (Tabelle 2) zeigt.
-
Die
erfindungsgemäßen Spritzbeschichtungen
(Testproben Nr. 1–4)
waren wie die Niederdruckplasmaspritzschicht beständig gegenüber 25maligem
Temperaturschock und zeigten gute Hafteigenschaften. Es wird angenommen,
dass dies darauf zurückzuführen ist,
dass die dichte Niederdruckspritzschicht auf der Atmosphären-Plasmaspritzschicht
mit niedrigen Hafteigenschaften hergestellt wird, so dass durch
die Poren der Beschichtung eingedrungene Luft abgeschlos sen und
somit die Oxidation des Substrats aus einer Legierung auf Ni-Basis
verhindert wird.
-
Bei
dem Temperaturschocktest in Tabelle 3 besteht ein Zyklus daraus,
dass jede Testprobe der Spritzbeschichtung bei 1000°C 30 Minuten
in einem elektrischen Ofen an Atmosphäre erhitzt und dann in Wasser bei
25°C überführt wird.
Das Aussehen der Beschichtung wird bei jedem Zyklus visuell inspiziert
und auf das Vorliegen oder Fehlen von Abblättern untersucht.
-
-
Bemerkungen
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- (1) Jede Spritzschicht aus einer MCrAlX-Legierung der Testproben
Nr. 5–8
ist eine Schicht von 300 μm
Dicke, die durch ein Atmosphären-Plasmaspritzverfahren
hergestellt wurde.
- (2) Jede Spritzschicht aus einer MCrAlX-Legierung der Testproben Nr. 9–12 ist
nur eine Schicht von 300 μm
Dicke, die durch ein Niederdruckplasmaspritzverfahren hergestellt
wurde.
- (3) Al-Diffusionsbehandlung wird bei 930°C 4 Std. durchgeführt.
- (4) Die Bewertung des Temperaturschocktests ist dargestellt
durch die Anzahl, bei der 5% der Beschichtungsfläche abgeblättert sind.
-
Beispiel 2
-
Bei
diesem Beispiel wurden ein Test bezüglich Hochtemperaturkorrosion
und ein Test bezüglich
Hochtemperatursulfurierung an den Produkten durchgeführt, die
durch Herstellen der erfindungsgemäßen Verbundspritzschicht aus
einer MCrAlX-Legierung auf ein Substrat aus einer Legierung auf
Ni-Basis oder ein Substrat aus einer Legierung auf Co-Basis erhalten wurden,
und die Beständigkeit
gegenüber
einer Hochtemperaturumgebung wurde mit derjenigen einer einzelnen
Spritzschicht aus einer MCrAlX-Legierung verglichen, die durch ein
Atmosphären-Plasmaspritzverfahren
oder Niederdruckplasmaspritzverfahren als Vergleichsbeispiel hergestellt
wurde.
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A. Testprobe
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(1) Verbundspritzschicht
aus einer MCrAlX-Legierung
-
Eine
Testprobe mit 30 mm Breite × 50
mm Länge × 5 mm Dicke
wurde unter Verwendung der folgenden zwei hitzebeständigen Legierungen
als zu bespritzendes Substrat hergestellt.
- a.
Legierung auf Ni-Basis: wie im Bezugsbeispiel
- b. Legierung auf Co-Basis: 29,5 Gew.-% Cr, 10,5 Gew.-% Ni, 7,0 Gew.-%
W, 2 Gew.-% Fe, Rest Co
-
Eine
Grundierungsschicht mit 100 μm
Dicke wurde unter Verwendung von MCrAlX-Legierung (A, C, E, G) als
Spritzmaterial durch ein Atmosphären-Plasmaspritzverfahren
hergestellt, und eine Abschlussschicht mit 300 μm Dicke wurde darauf unter Verwendung
der gleichen MCrAlX-Legierung hergestellt.
-
(2) Einzelne Spritzbeschichtung
aus einer MCrAlX-Legierung des Vergleichsbeispiels
-
- a. Auf dem obigen Substrat aus einer Legierung
auf Ni-Basis oder auf dem Substrat aus einer Legierung auf Co-Basis wurde eine
Beschichtung mit einer Dicke von 300 μm unter Verwendung der gleichen
vier MCrAlX-Legierungen (A, C, E, G) durch ein Atmosphären-Plasmaspritzverfahren
hergestellt.
- b. Zudem wurde eine Spritzbeschichtung mit einer Dicke von 400 μm unter Verwendung
der gleichen MCrAlX-Legierung
wie bei der Erfindung durch ein Niederdruckplasmaspritzverfahren
als Vergleichsbeispiel hergestellt.
-
B. Al-Diffusionsbehandlung
-
Die
wie folgt dargestellte Al-Diffusionsbehandlung wurde auf die Hälfte der
Testproben der Verbundspritzschichten nach A(1) und der Atmosphären-Plasmaspritzschicht
des Vergleichsbeispiels und aller Niederdruckplasmaspritzschichten
für die
Abschlussschicht angewendet.
- – Diffusionskomponten:
wie im Beispiel 1
- – Behandlungsbedingungen:
wie im Beispiel 1
-
C. Ergebnisse
-
In
Tabelle 4 sind die obigen Testergebnisse für die Hochtemperaturkorrosion
gezeigt. Im Abschnitt der Atmosphären-Plasmaspritzschicht des
Vergleichsbeispiels (Testproben Nr. 5–8) drangen Korrosionskomponenten
(V und S bei Vanadiumkorrosion, S und Cl bei Hochtemperatursulfurierungskorrosion)
sehr tief in das Innere der Beschichtung ein (65–135 μm). Dagegen stoppte das Eindringen
der Korrosionskomponenten in einem Bereich von 20–70 μm bei den
erfindungsgemäßen Verbundspritzschichten
(Testproben Nr. 1, 3), und die Beständigkeit gegenüber Hochtemperaturkorrosion
war ausgezeichnet.
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Die
Beständigkeit
gegenüber
Hochtemperaturkorrosion der erfindungsgemäßen Beschichtung war gleich
derjenigen (20–71 μm) der Niederdruckplasmaspritzbeschichtungen
der Vergleichsbeispiele (Testproben Nr. 9–12), die bei bestehenden Verfahren
verwendet werden. Die erfindungsgemäße Beschichtung behielt ausreichende
Beständigkeit
gegenüber
Hochtemperaturkorrosion gegen die Korrosionskomponenten, die die Brenngasatmosphäre ausmachen.
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Zudem
wurde die Wirkung der Al-Diffusionsbehandlung im Vanadiumkorrosionstest
und im Hochtemperatursulfurierungstest beobachtet.
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Aus
den obigen Ergebnissen ist ersichtlich, das bei der Atmosphären-Plasmaspritzbeschichtung
das Eindringen der Korrosionskomponeten aufgrund vieler Poren leicht
war, was ein wichtiger Grund dafür
war, dass die Beständigkeit
gegenüber
Hochtemperaturkorrosion gesenkt wurde, und sogar wenn die Al-Diffusionsbehandlung
durchgeführt
wurde, wurden die Poren nicht vollständig verschlossen. Dagegen
war die Niederdruckplasmaspritzbeschichtung im filmgebildeten Zustand
dicht, und es wird angenommen, dass die Verdichtung durch die Al-Diffusionsbehandlung
stärker
verbessert wurde, so dass das Eindringen der Korrosionskomponenten
verhindert wurde.
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Der
Hochtemperaturkorrosionstest der Tabelle 4 wurde wie folgt durchgeführt.
- 1) Vanadiumkorrosionstest: Zusammensetzung
des Mittels: 80% V2O5,
20% NaCl
Temperatur, Dauer: 900°C, 3 Std.
- 2) Hochtemperatursulfurierungstest: Zusammensetzung des Mittels:
90% Na2SO4, 10%
NaCl
Temperatur, Dauer: 1000°C,
4 Std.
-
Die
Menge an aufgebrachtem Mittel betrugt zudem 25 mg pro 1 cm2 der Spritzschicht in beiden Tests. Die
Beschichtung wurde bei der angegebenen Temperatur für die angegebene
Dauer in einem elektrischen Ofen gehalten und dann daraus entnommen,
und der korrodierte Abschnitt der Beschichtung wurde inspiziert und
die Eindringtiefe der Korrosionskomponenten wurde mithilfe eines
Röntgen-Mikroanalysators
begutachtet, wodurch die Beständigkeit
der Beschichtung gegenüber
Hochtemperaturkorrosion untersucht wurde.
-
-
Bemerkungen
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- (1) Jede MCrAlX-Legierungsschicht der Testproben
Nr. 5–8
ist eine Schicht von 400 μm
Dicke, die durch ein Atmosphären-Plasmaspritzverfahren
hergestellt wurde.
- (2) Jede Spritzschicht aus einer MCrAlX-Legierung der Testproben Nr. 9–12 ist
nur eine Schicht von 400 μm
Dicke, die durch ein Niederdruckplasmaspritzverfahren hergestellt
wurde.
- (3) Al-Diffusionstest wird bei 950°C 4 Std. durchgeführt.
- (4) Hochtemperaturkorrosionstest: 80% V2O5, 20% Na2O4, 900°C,
3 Std.
- (5) Hochtemperatursulfurierungstest: 90% Na2O4, 10% NaCl, 100°C, 4 Std.
- (6) Das Substrat der Testproben mit gerader Nummer ist eine
Legierung auf Co-Basis (29,5% Cr, 10,0% Ni, 7,0% W, 2% W, Rest Co),
derjenigen mit ungerader Nummer eine Legierung auf Ni-Basis (im
Beispiel 1 beschrieben)
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INDUSTRIELLE ANWENDBARKEIT
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Aus
den obigen Erläuterungen
und den Ergebnissen der Beispiele ist ersichtlich, dass die erfindungsgemäße Verbundspritzschicht
aus einer MCrAlX-Legierung, die aus der Oxidspritzschicht und der Nicht-Oxid-Spritzschicht
und einer Al- oder Cr-Diffusionsschicht besteht, sogar bei höherer Umgebungstemperatur
eine dünnere
Diffusionsschicht in das Innere des Bauteils aufweist, das ausgesetzt
werden soll, so dass sie eine gute Beständigkeit gegenüber Temperaturschock
zeigt und eine ausgezeichnete Leistung bei der Beständigkeit
gegenüber
Hochtemperaturoxidation entwickelt.
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Dadurch
kann das mit einer erfindungsgemäßen MCrAlX-Legierung gespritzte
Bauteil mit guter Produktivität
und bei niedrigen Kosten unter Verwendung der gleichen Art des Spritzverfahrens
und der gleichen Art des Materials wie im Stand der Gasturbinentechnik
hergestellt werden, wobei der Anstieg der Temperatur in der Zukunft
vorweggenommen wird.
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Zudem
eignet sich die Erfindung als Hochtemperaturbauteil für die Verwendung
in einem Blashochofen oder dergleichen oder als Hochtemperaturbauteil
für die
Verwendung in einer Rakete, einem Space Shuttle oder dergleichen.