DK151901B - Termisk beskyttet konstruktion af en superlegering - Google Patents

Description

DK 151901B

i

Den foreliggende opfindelse vedrører en termisk beskyttet konstruktion af en superlegering, hvor konstruktionen omfatter et underlag af et materiale i form af en nikkel- eller koboltsuperlegering, en me-5 talbindende belægning på underlaget samt en zirkoni-umbaseret, keramisk termisk spærrebelægning på den metalbindende belægning.

Plasma-påsprøjtede, metalliske og keramisk termiske 10 spærrebelægninger, hvori der anvendes stabiliseret zirkoniumoxyd, anvendes i vid udstrækning til beskyttelse af metalkomponenter, som er udsat for høje temperaturer, og generelt til sænkning af både grundmetallets temperatur og virkningerne af termiske tran-15 sienter. Sådanne systemer bruges sædvanligvis i forbrændingskamre, overgangskanaler og efterbrænderfo-ringer i gasturbinemotorer og aerofoiler på forskellige trin.

20 Det vigtigste træk ved disse belægninger er deres termiske isoleringsegenskaber, idet graden af nedsættelse af grundmetaltemperatur og transient termisk spænding er knyttet til lav varmeledningsevne hos oxydkomponenten og belægningernes tykkelse. Generelt 25 er de ønskede egenskaber hos en praktisk, termisk spærrebelægning følgende: a) lav varmeledningsevne, 30 b) tilstrækkelig vedhæftning til at modstå afskal ning som følge af termisk spænding, d.v.s. at det er nødvendigt med en god binding mellem partiklerne og med underlaget,

DK 151901 B

2 c) maximal metallurgisk helhed og oxydations-var-mekorrosionsbestandighed hos den metalliske bestanddel , 5 d) mest mulig overensstemmelse i varmeudvidelse mellem det keramiske materiale og den underliggende legering, e) tilfredsstillende stabilisering af den ønskede 10 (kubisk zirkoniumoxyd) krystalstruktur for at minimere virkningerne af ulineær termisk udvidelse forårsaget af strukturel forvandling, og f) reparerbarhed under fremstilling og efter brug.

15

Ifølge den aktuelle kendte teknik anvendes adskillige keramisk-metalliske systemer baseret på magnesium-oxydstabiliseret zirkoniumoxyd. Sædvanligvis er grundmetallet en nikkel- eller koboltsuperlegering, 20 såsom "Hastelloy X", en legering, som foruden nikkel indeholder 22 % krom, 0,1 % karbon, 0,5 % magnesium, 0,5 % silicium, 1,5 % kobolt, 9 % molybdæn, 0,6 % wolfram og 18,5 % jern, TD-nikkel, en legering som foruden nikkel indeholder 2,2 % thorium, eller "Hay-25 nes 188", en legering, som udover kobolt indeholder 22 % krom, 14,5 % wolfram, 0,1 % karbon og 0,0075 % lantan, som er belagt med et bindelag af en nikkellegering med 5 % aluminium eller 20 % krom, et mellemliggende, metallisk, stabiliseret, keramisk zirkoni-30 umoxydlag og et dæklag af stabiliseret zirkoniumoxyd.

Disse lag er plasmasprøjtet på grundmetallet, og man har nu forstået, at bedre egenskaber og lavere omkostninger kan opnås ved fremgangsmåder med nominel kontinuerlig graduering, hvorved koncentrationen af 3

DK 151901B

zirkoniumoxyd øges kontinuerligt fra 0 ved grænsefladen mellem bindelaget og grundmetallet, til stort set 100 % ved yderfladen. Generelt påføres disse belægninger til en tykkelse på ca. 380 pm.

5

Detaljerede diskussioner, som er repræsentative for disse forskellige teknikker, kan findes i US patentskrift nr. 3.006.782 vedrørende oxydbelagte genstande med metalunderlag, hvor der først påføres en metal-10 bindende belægning og derefter en keramisk belægning, US patentskrift nr. 2.937.102 vedrørende styring af zirkoniumoxydstabilisering, US patentskrifterne 3.091. 548 og 3.522.064 vedrørende stabiliseret zirkoniumoxyd indeholdende nioboxyd og kalciumoxyd.

15

For tiden er en af de foretrukne keramiske komponenter zirkoniumoxyd, som kan anvendes enten alene eller blandet med et materiale, såsom magnesiumoxyd, kalciumoxyd, yttriumoxyd, La203 eller Ce203, som er kendt 20 for at stabilisere zirkoniumoxyd i den mere ønskelige kubiske form. Følgelig er en af de bedste, kendte måder at beskytte nikkel- og koboltsuperlegeringer mod høje temperaturer påføring af en zirkoniumoxydbaseret keramisk belægning, som er bundet til grundbelægnin-25 gen med en nikkelkrom- eller nikkelaluminiumlegering, hvor koncentrationen af keramisk materiale øges enten gradvist eller i spring fra underlaget til den ydre belægning.

30 Selv om disse avancerede systemer har vist sig at fungere godt, er det iagttaget, at fejl, når de virkelig optræder, skyldtes oxyderende nedbrydning af den metalliske bestanddel, efterfulgt af afskalning af de ydre keramiske lag. Når der er opstået fejl,

DK 151901 B

4 har det desuden været vanskeligt at reparere genstandene som følge af den metalliske bestanddels modstandsdygtighed overfor de tilgængelige syreopløsninger. Ifølge den foreliggende opfindelse har det vist 5 sig, at et hensigtsmæssigt valg af bindebelægningsmetallet frembringer væsentlige forbedringer af den j termiske spærrebelægnings egenskaber og mulighederne for at reparere genstanden.

10 Formålet med opfindelsen er at frembringe en konstruktion med en metalbindende belægning, som gør det muligt at eliminere eller nedsætte de ovennævnte problemer.

15 Dette er ifølge opfindelsen opnået ved at den metalbindende belægning er en legering af et materiale, som indeholder 15-40 % krom, 10-25 % aluminium, 0,01-1 % yttrium og resten jern, kobolt, nikkel eller en blanding af nikkel og kobolt.

20

Det har ifølge opfindelsen vist sig, at anvendelsen af denne legering som bindebelægning og metal i et zirkoniumoxydbaseret keramisk materiale frembringer en uventet forbedring af spærrebelægningens termiske 25 modstandsdygtighed. Disse legeringer er kendt som MCrAly-legeringer og er beskrevet i detaljer i US patentskrifterne nr. 3.542.530, 3.676.085, 3.754.903 samt i US patentskrift nr. 3.928.026. Ifølge opfindelsen er det keramiske spærremateriale fortrinsvis 30 blandet med legeringen i bindebelægningen, således at keramisk materiale øges kontinuerligt fra 0 % keramisk materiale ved grænsefladen mellem underlaget og bindebelægningen til 100 % keramisk materiale ved den eksponerede overflade. Selv om kontinuerlig forøgelse 5

DK 151901B

af koncentrationen klart er at foretrække, kan der også anvendes et eller flere lag med springvis øgede koncentrationer af zirkoniumoxyd, dersom udstyr til kontinuerlig graduering ikke er tilgængeligt.

5

Det zirkoniumoxyd, der anvendes i denne belægning, er fortrinsvis stabiliseret i den kubiske form ved hjælp af kalciumoxyd eller magnesiumoxyd, sådan som det er kendt på området. Zirkoniumoxydet kan desuden også 10 indeholde andre oxyder, såsom Y203 og La203, som også er kendt for at være permanente kubiske stabilisatorer for zirkoniumoxyd, eller metastabilisatorer såsom Ce203. Det er også muligt at tilsætte antistabilisa-torer, såsom nikkeloxyd, zinkoxyd og koboltoxyd i 15 blanding med det kubisk stabiliserede zirkoniumoxyd for at tilpasse de keramiske bestanddeles termiske chokbestandighedsegenskaber ved at vælge kompressionsstyrker og varmekoefficienter, som svarer til det metalliske underlags egenskaber. Disse specifikke 20 teknikker udgør ikke i sig selv nogen del af den foreliggende opfindelse, og det skal forstås, at brugen af begrebet "zirkoniumoxyd", således som det her er anvendt, omfatter zirkoniumoxydbaserede keramiske materialer, som enten kan være rent zirkoniumoxyd eller 25 zirkoniumoxyd blandet med et eller flere tilsætningsstoffer, som de ovenfor nævnte er eksempler på.

Den termiske spærrebelægning kan påføres ved hjælp af teknikker, som er kendt på området under anvendelse 30 af udstyr, som kan fås i handelen. I de efterfølgende eksempler blev belægningerne påført ved hjælp af en minipistol "Plasmadyne" model 1068 under anvendelse af en dyse 106 F45H-1, en "Plasmadyne" model PS-61M på 40 kilowatt som kraftkilde samt to "Plasmadyne"

DK 151901B

e model 1008A pulvertilførselsapparater. Det ene pulvertilførselsapparat indeholdt bindebelægningslegeringen, mens det andet pulvertilførselsapparat indeholdt zirkoniumoxydet, idet begge apparater blev sat 5 under tryk ved hjælp af argon. Ved at variere strømningshastigheden til hvert pulvertilførselsapparat blev der opnået en kontinuerlig graduering af den termiske spærrebelægning. Valget af pulverstørrelsen i materialet er ikke kritisk, og med det anvendte ud-10 styr viste det sig, at partikkelstørrelsen i den metalbindende belægning fortrinsvis var i området 0,03-0,05 mm. Dette var ikke kritisk, men bare særegent for det udstyr, der blev anvendt, idet mindre partik-kelstørrelser havde en tendens til at smelte for hur-15 tigt og tilstoppe sprøjtepistolens dyse.

EKSEMPEL 1

Plader af den ovennævnte legering "Hastelloy X" blev 20 belagt med kontinuerligt gradueret zirkoniumoxyd, som var stabiliseret med nikkelkrom og MgO, og blev underkastet 100 og 200 timers statiske oxydationsforsøg ved ca. 980°C. Metallografiske undersøgelser af belægningsstrukturerne efter prøven antyder, at nikkel-25 krom-bestanddelen stort set var oxyderet efter 100 timer. En anden prøveplade blev underkastet et oxydationsforsøg i 1 time ved 1095°C efterfulgt af vandafkøling. Metallografiske undersøgelser af belægningsstrukturen efter disse behandlinger viste forvitret 30 nikkel, der var næsten fuldstændigt oxyderet med sprækker, der forløb vertikalt mod grundmetallet gennem belægningen. Tilsvarende forsøg blev også udført med plader af "Hastelloy X" belagt med zirkoniumoxyd stabiliseret med 67,5 % kobolt, 20 % krom, 12 % alu- 7

DK 151901B

minium, 0,5 % yttrium samt 17 % MgO, med belægningstykkelser varierende mellem 0,022 og 0,035 cm. Metal-lografisk undersøgelse af disse prøver efter afslutningen af forsøg svarende til de ovennævnte viste væ-5 sentlig mindre oxydation af bindebelægningen, hvilket nødvendigvis medfører en forventet længere belægningslevetid. Der blev også udført en undersøgelse af fluidiserede lag af de forskellige prøver, hvor prøvestykkerne blev eksponeret i to minutter ved 980°C 10 efterfulgt af to minutters køling til stuetemperatur.

Ved anvendelse af kobolt-, krom-, aluminium- og yt-triumholdige prøver blev undersøgelserne afbrudt efter 100 cykler med tilfredstillende vedhæftning mellem belægningen og den underliggende legering, og ved 15 metallografisk undersøgelse viste komponenterne kun delvis oxydation. Nikkelkromprøverne var imidlertid fuldstændigt oxyderede.

EKSEMPEL 2 20

De indvendige overflader af et antal forbrændingskamre i naturlig størrelse af ovennævnte legering "Ha-stelloy X" til en gasturbinemotor (JT8D 17) blev belagt med den ovenfor anførte kontinuerligt graduerede 25 MgO/Zr02-kobolt/krom/aluminium/yttriumlegering og un derkastet eksperimentel motorprøvning. I en 150 timers holdbarhedsprøve var denne legering væsentligt bedre med hensyn til kantafskalning end den konventionelle belægning af 17 % Mg0/Zr02 Ni-20 % Cr på en 30 indre overflade i et andet forbrændingskammer i samme prøve.

Selv om det ifølge opfindelsen foretrækkes at anvende den ovenfor angivne kobolt-, krom-, aluminium- og yt- 8

DK 151901B

triumlegering og Zr02 stabiliseret med 17 % MgO, kan der af fagfolk på området anvendes andre sammensætninger. Den specifikke kobolt-, krom-, aluminium- og yttriumlegering, som er anvendt i eksemplerne, er re-5 præsentative for den store klasse af materialer, som består af 15-40 % krom, 10-25 % aluminium og mindre end 1 % yttrium legeret med jern, kobolt, nikkel eller nikkel-kobolt. Denne generelle klasse af materialer er f.eks. beskrevet i de ovenfor anførte US pa-10 tentskrifter.

Claims (2)

1. Termisk beskyttet konstruktion af en superlegering, hvor konstruktionen omfatter et underlag af et 5 materiale i form af en nikkel- eller koboltsuperlege-ring, en metalbindende belægning på underlaget samt en zirkoniumbaseret, keramisk termisk spærrebelægning på den metalbindende belægning, kendetegnet ved, at den metalbindende belægning er en legering af 10 et materiale, som indeholder 15-40 % krom, 10-25 % aluminium, 0,01-1 % yttrium og resten jern, kobolt, nikkel eller en blanding af nikkel og kobolt.

2. Konstruktion ifølge krav 1, kendetegnet 15 ved, at materialet i den keramiske termiske spærrebelægning er blandet med legeringen i den metalbindende belægning på en sådan måde, at koncentrationen af keramisk materiale øges kontinuerligt fra underlaget til den færdige overflade.