EP0386618B1 - Bauteil mit Schutzschicht auf Nickel- oder Kobaltbasis - Google Patents

Bauteil mit Schutzschicht auf Nickel- oder Kobaltbasis Download PDF

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EP0386618B1
EP0386618B1 EP90103963A EP90103963A EP0386618B1 EP 0386618 B1 EP0386618 B1 EP 0386618B1 EP 90103963 A EP90103963 A EP 90103963A EP 90103963 A EP90103963 A EP 90103963A EP 0386618 B1 EP0386618 B1 EP 0386618B1
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EP
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wear
resistant layer
coating
layer
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Albin Platz
Klaus Dr. Schweitzer
Peter Dr. Adam
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MTU Aero Engines AG
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MTU Motoren und Turbinen Union Muenchen GmbH
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C4/00—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge
    • C23C4/04—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge characterised by the coating material
    • C23C4/10—Oxides, borides, carbides, nitrides or silicides; Mixtures thereof
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C4/00—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge
    • C23C4/18—After-treatment
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/12—Blades
    • F01D5/28—Selecting particular materials; Particular measures relating thereto; Measures against erosion or corrosion
    • F01D5/288—Protective coatings for blades

Definitions

  • the invention relates to a component made of a base material based on nickel or cobalt with a protective layer against oxidation, corrosion and thermal fatigue.
  • High-temperature resistant superalloys based on nickel or cobalt were developed for use in turbine construction.
  • the blade material is exposed to particularly high loads, which not only withstand the high temperatures (above 950 ° C) in the turbine, but also must have a high creep resistance.
  • the blade material made of superalloys in particular is grown in large crystalline form and partly with a columnar structure using appropriate casting and crystallization techniques.
  • grain boundary deposits of easily oxidizable alloy additives such as vanadium or titanium are disadvantageously formed for the corrosion resistance. This adversely affects the surface properties, such as resistance to oxidation and corrosion, and the resistance to thermal fatigue.
  • Diffusion processes have a disadvantage due to the different concentration on both sides of the boundary layer between the surface of the layer and the coating, which lead to diffusion pores in the region near the boundary layer, so that the protective layer flakes off at locations of high diffusion pore density when thermal stresses are superimposed.
  • the MCrAlX, Y layers tend to suffer from thermal fatigue, since there is a mismatch in the thermal expansion behavior between the base material alloy and the MCrAlYX layer and the MCrAlX, Y layers are very ductile compared to the base material.
  • the components of the base material such as vanadium and titanium, which are sensitive to oxidation and corrosion are avoided, and stable oxide formers, such as aluminum, for example up to 20% and chromium, for example up to 40%, are added.
  • stable oxide formers such as aluminum, for example up to 20% and chromium, for example up to 40%.
  • the coordination of the composition is becoming ever more extensive and complicated the coating on the superalloy to be coated, based on cobalt or nickel, in order to overcome adhesion problems or to minimize diffusion processes or to build up protective stable oxides on the surface.
  • the object of the invention is to provide a component made of a base material based on nickel or cobalt with a protective layer, which has a higher thermal fatigue, oxidation and corrosion resistance at temperatures above 800 ° C than components with previously known coatings and the disadvantages of these Overcomes coatings and specify a method for producing such a component.
  • the invention solves the problems and disadvantages as they exist in the prior art by using the material of the base material for a coating of the same type, so that diffusion processes do not occur and adhesion problems do not occur on the oxide-free surface of the base material.
  • a chipping of protective layer particles is hereby overcome.
  • a uniform, stable and protective oxide layer is advantageously formed on the grain surface when such components are used in the oxidizing hot gas stream of, for example, turbines. Since the grain boundaries of this coating have fewer grain boundary deposits than the base material, the grain boundary corrosion is advantageously reduced.
  • the layer thickness is advantageously not limited to less than 100 ⁇ m.
  • the base and coating material is preferably composed of the following elements:
  • This superalloy is commercially available under the name IN 100, so that both the base material and the coating material are available at low cost.
  • the grain volume of the coating is at least three powers of ten smaller than the grain volume of the base material.
  • the grain boundaries of the preferred base material IN 100 have titanium and vanadium-containing grain boundary deposits, which form unstable or low-melting oxides.
  • the coating therefore preferably has fewer precipitations at the grain boundaries than the base material, which advantageously improves the resistance to oxidation and corrosion.
  • a particularly preferred embodiment of the protective layer consists in the protective layer being a plasma spray layer which, owing to the high rate of solidification, advantageously crystallizes extremely fine-grained and has a low excretion rate.
  • This method has the advantage that it is suitable for mass production.
  • the surface preparation is carried out by plasma etching with an argon plasma.
  • This preparation has the advantage of being free from contamination and is compatible with a low-pressure plasma spraying process, so that both the surface preparation and the coating of the base material can be carried out on a component with an assembly process. This advantageously improves the quality, since it is not necessary to move it to another plant and there are no residence times in a normal atmosphere.
  • the surface preparation is carried out by means of chemical removal, so that a high throughput is advantageously achieved.
  • Abrasive beam processing is preferably used as surface abrasion, since this method advantageously allows large-area components such as rotor disks to be prepared for a subsequent coating.
  • the coating by means of plasma spraying with a plasma spraying material in the same chemical composition as the base material can be carried out in the case of high quality requirements in the low pressure plasma spraying process and in the case of large parts and / or high demands on economy by means of plasma spraying under protective gas.
  • Optimal growth of the coating on the base material is achieved by epitaxial recrystallization at a solution annealing temperature between 1150 ° C and 1250 ° C.
  • the bottom layer of the fine-grained coating recrystallizes in the same crystal orientation as the large-volume crystallites of the base material at the coating boundary, so that an intensive interlocking between the fine-grain coating and the coarse-grained base material is advantageously created, which significantly increases the adhesion compared to conventional foreign coatings .
  • the coated component can then be cooled to 1000 ° C to 800 ° C at 30 ° C / min to 80 ° C / min and subjected to a multi-stage aging heat treatment.
  • a two-stage aging process has preferably been used to form a suitable ⁇ / ⁇ ′-structure at 1080 ° C. to 1120 ° C. for 2 hours to 6 hours, followed by 900 ° C. to 980 ° C. for Proven for 10 hours to 20 hours with intermediate cooling to 750 to 800 ° C.
  • a heat treatment With such a heat treatment, the properties of the base material which have been changed by the solution annealing are regenerated, and the strength values of the layer are advantageously increased.
  • a mechanical post-treatment of the surface of the protective layer improves the hardness by preferably shot peening and serves to smooth the surface.
  • the surface can also be smoothed by pressure flow machining or vibratory finishing.
  • a diffusion coating as aftertreatment of the surface can preferably be carried out on the fine-grained coating.
  • This has the advantage that deep diffusions like them along the grain boundary precipitations of the base material, in which fine-grained coating with fewer grain boundary precipitations does not occur.
  • the diffusion zone in the fine-grained coating is thus advantageously more uniform and homogeneous with z.
  • the aluminum doping z. B. increases the oxidation resistance up to temperatures of 1250 ° C.
  • a coarse crystalline turbine blade made of IN 100 as the base material which is composed of the following elements: there is a low-pressure plasma layer of the same chemical composition, which has a grain volume 3 ⁇ 10 3 times finer than the base material having.
  • the coated component In the thermal fatigue test (test temperature 1050 ° C), the coated component withstands three times the number of thermal load changes than the uncoated base material.
  • a coarsely crystalline turbine blade made of In 100 as the base material which is composed of the following elements: the surface of the base material is removed by an average of 0.5 to 10 ⁇ m by means of argon plasma etching at a pressure of 2 kPa to 4 kPa.
  • the base material is coated with plasma spray material with the same chemical composition as the base material at a pressure of 4 kPa and a temperature of the base material of 900 ° C. for 120 seconds.
  • epitaxial recrystallization is carried out in a high vacuum furnace.
  • the component is kept at a solution annealing temperature of 1200 ° C for 4 hours and cooled to 800 ° C at a cooling rate of 60 ° C / min.
  • a two-stage heat treatment is carried out in a high vacuum at 1100 ° C for 4 hours and at 950 ° C for 16 hours with intermediate cooling at 60 ° C / min to 800 ° C.
  • the surface of the component is smoothed and solidified by blasting with zirconium oxide balls with a diameter of 0.5 mm to 1 mm.

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Bauteil aus einem Grundwerkstoff auf Nickel- oder Kobaltbasis mit einer Schutzschicht gegen Oxydation, Korrosion und Thermoermüdung.
  • Hochtemperaturfeste Superlegierungen auf Nickel- oder Kobaltbasis wurden für den Einsatz im Turbinenbau entwickelt. Besonders hohen Belastungen ist dabei der Schaufelwerkstoff ausgesetzt, der nicht nur den hohen Temperaturen (über 950 °C) in der Turbine standhalten, sondern auch eine hohe Kriechfestigkeit besitzen muß. Um eine hohe Kriechfestigkeit zu gewährleisten, wird besonders der Schaufelwerkstoff aus Superlegierungen großkristallin und teilweise mit Kolumnarstruktur durch entsprechende Gieß- und Kristallisationstechniken gezüchtet. Bei dieser Züchtung entstehen nachteilig für die Korrosionsbeständigkeit Korngrenzenausscheidungen von leicht oxidierbaren Legierungszusätzen wie beispielsweise Vanadium oder Titan. Damit verschlechtern sich nachteilig die Oberflächeneigenschaften, wie Oxydations- und Korrosionsbeständigkeit, sowie die Thermoermüdungsbeständigkeit. Deshalb wurden Beschichtungen wie die MCrAlX,Y-Familie (Metall, Chrom, Aluminium, X = Seltene Erden, Y = Yttrium) entwickelt, die die Oberflächeneigenschaften durch ihren hohen Anteil an Chrom und Aluminium, die ihrerseits stabile Oxyde beim Betreiben der Turbine bilden, verbessern und über das seltene Erd-Metall die Haftung der Oxidschicht auf der Schichtoberfläche herausetzen. Nachteilig wirken sich Diffusionsvorgänge aufgrund der unterschiedlichen Konzentration beiderseits der Grenzschicht zwischen Schichtoberfläche und Beschichtung aus, die zu Diffusionsporen im grenzschichtnahen Bereich führen, so daß die Schutzschicht bei Überlagerung von Thermospannungen an Stellen hoher Diffusionsporendichte abplatzt. Darüber hinaus neigen die MCrAlX,Y-Schichten nachteilig zur Thermoermüdung, da zwischen Grundwerkstofflegierung und MCrAlYX-Schicht ein Mißverhältnis im Wärmedehnungsverhalten vorliegt und die MCrAlX,Y-Schichten sehr duktil sind im Vergleich zum Grundwerkstoff.
  • Aus der Zeitschrift "Journal of Materials Technology, 4 (1973) Nr. 7, S. 345 - 400, Art. von B. Lux ist eine weitere technische Lösung bekannt, bei der das Bilden von chrom- und/oder aluminiumreichen Diffusionsschichten an der Oberfläche des Grundwerkstoffes durch Pulverpackzementieren und/oder Gasdiffusionsbeschichten erfolgt. Derartige Schichten bilden oxydationsfeste intermetallische Phasen mit dem Grundwerkstoff. Aufgrund der höheren Härte dieser Schichten mit intermetallischen Phasen wird die Dauerschwingfestigkeit der Bauteile nachteilig bis zu 30 % herabgesetzt. Da das Wärmedehnungsverhalten nicht dem Grundwerkstoff angepaßt ist, besteht für das Bauteil eine hohe Mikrorißgefahr, die mit zunehmender Schichtdicke ansteigt. Deshalb muß die Schichtdicke nachteilig auf kleiner 100 µm begrenzt werden.
  • Bei den bekannten Beschichtungen werden die oxydations- und korrosiondsempfindlichen Komponenten des Grundwerkstoffes wie Vanadium und Titan vermieden und stabile Oxydbildner wie Aluminium bis beispielsweise 20 % und Chrom bis beispielsweise 40 % zulegiert. Immer umfangreicher und komplizierter wird dabei die Abstimmung der Zusammensetzung der Beschichtung auf die zu beschichtende Superlegierung auf Kobalt- oder Nickelbasis, um Haftungsprobleme zu überwinden oder Diffusionsvorgänge zu minimieren oder schützende stabile Oxide an der Oberfläche aufzubauen.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, ein Bauteil aus einem Grundwerkstoff auf Nickel- oder Kobaltbasis mit einer Schutzschicht anzugeben, das eine höhere Thermoermüdungs-, Oxydations- und Korrosionsbeständigkeit bei Temperaturen über 800 °C aufweist, als Bauteile mit bisher bekannten Beschichtungen und das die Nachteile dieser Beschichtungen überwindet sowie ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Bauteils anzugeben.
  • Gelöst wird diese Aufgabe gattungsgemäß dadurch, daß Grundwerkstoff und Schutzschicht aus chemisch gleichem Werkstoff bestehen und die Schutzschicht wesentlich feinkörniger strukturiert ist (s. Anspruch 1).
  • Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen 2-9 offenbart.
  • Die Erfindung löst die Probleme und Nachteile wie sie im Stand der Technik bestehen, indem der Werkstoff des Grundmaterials für eine artgleiche Beschichtung eingesetzt wird, so daß Diffusionsvorgänge ausbleiben und Haftungsprobleme bei oxydfreier Oberfläche des Grundwerkstoffes nicht auftreten. Ein Abplatzen von Schutzschichtpartikeln wird hiermit überwunden.
  • Durch eine gleichbleibende Leigerungszusammensetzung im Kornvolumen wird vorteilhaft eine gleichmäßige stabile und schützende Oxidschicht an der Kornoberfläche beim Einsatz derartiger Bauteile im oxydierenden Heißgasstrom von beispielsweise Turbinen gebildet. Da die Korngrenzen dieser Beschichtung weniger Korngrenzenausscheidungen aufweisen als der Grundwerkstoff wird vorteilhaft die Korngrenzenkorrosion vermindert.
  • Der bevorzugte Korrosionsangriff an Korngrenzen und die damit verbundene Rißanfälligkeit wird durch die wesentlich feinkörnigere Struktur gegenüber dem Grundwerkstoff behindert, da sich vorteilhaft keine großflächigen Korrosionskerben ausbilden können.
  • Diese Vorteile tragen zusammen dazu bei, daß die Thermoermüdung derartiger Bauteile vermindert und die Korrosions- und Oxydationsbeständigkeit verbessert wird.
  • Die Artgleichheit des Beschichtungswerkstoffes mit dem Grundwerkstoff führt dazu, daß keine Wärmedehnungsunterschiede zwischen Schicht- und Grundwerkstoff auftreten und somit keine Thermospannungen induziert werden. Deshalb ist vorteilhaft die Schichtdicke nicht auf kleiner 100 µm begrenzt.
  • Vorzugsweise setzt sich der Grund- und Beschichtungswerkstoff aus folgenden Elementen zusammen:
    Figure imgb0001
  • Diese Superlegierung ist unter dem Namen IN 100 im Handel, so daß sowohl Grundwerkstoff als auch Beschichtungswerkstoff kostengünstig zur Verfügung stehen.
  • Je feiner das Korn der Beschichtung strukturiert ist, um so gleichmäßiger erscheint die Zusammensetzung des Kornvolumens und um so perfekter bildet sich eine stabile einheitliche Oxidschicht von Chrom-und/oder Aluminiumoxiden im Betrieb aus. Deshalb ist das Kornvolumen der Beschichtung um mindestens drei Zehnerpotenzen kleiner, als das Kornvolumen des Grundmaterials.
  • Die Korngrenzen des bevorzugten Grundwerkstoffes IN 100 weisen titan- und vanadiumhaltige Korngrenzenausscheidungen auf, die instabile bzw. niedrigschmelzende Oxide bilden. Die Beschichtung hat deshalb vorzugsweise weniger Ausscheidungen an den Korngrenzen als der Grundwerkstoff, was vorteilhaft die Oxydations- und Korrosionsbeständigkeit verbessert.
  • Eine besonders bevorzugte Ausbildung der Schutzschicht besteht darin, daß die Schutzschicht eine Plasmaspritzschicht ist, die aufgrund der hohen Erstarrungsgeschwindigkeit vorteilhaft äußerst feinkörnig und ausscheidungsarm kristallisiert.
  • Weiterhin hat die Erfindung die Aufgabe, ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils nach Anspruch 1 anzugeben, was mit folgenden Verfahrensschritten gelöst wird:
    • a) Oberflächenpräparation durch ein Abtragen der Oberfläche des Grundwerkstoffs zur Verbesserung der Haftung,
    • b) Beschichten des Grundwerkstoffs mittels Plasmaspritzen mit Plasmaspritzmaterial in der chemischen Zusammensetzung des Grundwerkstoffes,
    • c) epitaktische Rekristallisation mittels Lösungsglühen bei Temperaturen zwischen 1150 und 1250 °C,
    • d) Nachbehandlung der Oberfläche der Schutzschicht durch mechanisches Verdichten zur Glättung und Verfestigung der Oberfläche und/oder Diffusionsbeschichten zur Erhöhung der Oxydationsbeständigkeit.
  • Dieses Verfahren hat den Vorteil, daß es für die Massenproduktion geeignet ist.
  • Bei hohen Anforderungen an die Qualität der Beschichtung wird die Oberflächenpräparation durch ein Plasmaätzen mit einem Argonplasma durchgeführt. Diese Präparation hat den Vorteil der Kontaminationsfreiheit und ist mit einem Niederdruck-Plasmaspritzprozess kompatibel, so daß an einem Bauelement mit einem Bestückungsvorgang, sowohl die Oberflächenpräparation als auch das Beschichten des Grundwerkstoffes erfolgen kann. Damit wird vorteilhaft die Qualität verbessert, da kein Umsetzen in eine weitere Anlage erforderlich ist und Verweilzeiten in Normal-Atmosphäre entfallen.
  • Bei hohen Anforderungen an die Wirtschaftlichkeit wird die Oberflächenpräparation mittels chemischen Abtrag durchgeführt, so daß vorteilhaft ein hoher Durchsatz erzielt wird.
  • Eine abrasive Strahlbearbeitung wird vorzugsweise als Oberflächenabtrag eingesetzt, da sich mit diesem Verfahren vorteilhaft großflächige Bauteile wie beispielsweise Rotorscheiben für eine nachfolgende Beschichtung präparieren lassen.
  • Die Beschichtung mittels Plasmaspritzen mit einem Plasmaspritzmaterial in der gleichen chemischen Zusammensetzung wie der Grundwerkstoff kann bei hohen Anforderungen an die Qualität im Niederdruckplasmaspritzverfahren und bei großen Teilen und/oder hohen Anforderungen an die Wirtschaftlichkeit mittels Plasmaspritzen unter Schutzgas erfolgen.
  • Ein optimales Anwachsen der Beschichtung auf dem Grundwerkstoff wird durch epitaktische Rekristallisation bei einer Lösungsglühtemperatur zwischen 1150 °C und 1250 °C erreicht. Dabei rekristallisiert im Übergangsbereich zwischen Grundwerkstoff und Beschichtung die unterste Lage der feinkörnigen Beschichtung in gleicher Kristallorientierung wie die großvolumigen Kristallite des Grundwerkstoffs an der Beschichtungsgrenze, so daß vorteilhaft eine intensive Verzahnung zwischen feinkörniger Beschichtung und grobkörnigem Grundwerkstoff entsteht, was die Haftung gegenüber herkömmlichen artfremden Beschichtungen wesentlich steigert. Anschließend kann mit 30 °C/min bis 80 °C/min das beschichtete Bauteil auf 1000 °C bis 800 °C abgekühlt und einer mehrstufigen Auslagerungswarmbehandlung unterzogen werden.
  • Für gegossene Bauteile aus Superlegierungen auf Nickel- oder Kobaltbasis hat sich vorzugsweise ein zweistufiges Auslagern zur Ausbildung eines geeigneten γ/γ′-Gefüges bei 1080 °C bis 1120 °C für 2 Stunden bis 6 Stunden gefolgt von 900 °C bis 980 °C für 10 Stunden bis 20 Stunden mit zwischenzeitlicher Abkühlung auf 750 bis 800 °C bewährt. Mit einer derartigen Warmbehandlung werden die Eigenschaften des Grundwerkstoffes regeneriert, die durch das Lösungsglühen verändert worden sind, und es werden vorteilhaft die Festigkeitswerte der Schicht angehoben.
  • Eine mechanische Nachbehanldung der Oberfläche der Schutzschicht verbessert die Härte durch vorzugsweise Kugelstrahlbearbeitung und dient der Oberflächenglättung. Die Glättung der Oberfläche kann auch durch Druckfließbearbeitung oder Gleitschleifbearbeitung erfolgen.
  • Eine Diffusionsbeschichtung als Nachbehandlung der Oberfläche, wie sie überlicherweise zur Erhöhung der Langzeitoxydationsbeständigkeit auf dem Grundwerkstoff aus Nickel- oder Kobaltbasis Superlegierungen angewandt wird, kann vorzugsweise auf der feinkörnigen Beschichtung erfolgen. Damit ist der Vorteil verbunden, daß Tiefdiffusionen wie sie entlang der Korngrenzenausscheidungen des Grundwerkstoffes vorkommen, in der feinkörnigen Beschichtung mit weniger Korngrenzenausscheidungen nicht auftreten. Die Diffusionszone in der feinkörnigen Beschichtung wird damit vorteilhaft gleichmäßiger und homogener mit z. B. Aluminium oder Chrom dotiert, als es auf dem grobkristallinen Grundwerkstoff möglich ist. Dabei verbessert z. B. die Chromdotierung die Oxydationsbetändigkeit bis Temperaturen von 850 °C und bewirkt gleichzeitig eine verbesserte Korrosionsbeständigkeit gegen Sulfidation. Die Aluminiumdotierung z. B. erhöht die Oxydationsbeständigkeit bis zu Temperaturen von 1250 °C.
  • Die folgenden Anwendungsbeispiele für ein Bauteil und ein Verfahren stellen bevorzugte Ausführungen der Erfindung dar.
    • Beispiel eines Bauteils:
  • Auf einer grobkristallinen Turbinenschaufel aus IN 100 als Grundwerkstoff, der sich aus folgenden Elementen zusammensetzt:
    Figure imgb0002
    befindet sich eine Niederdruckplasmaschicht gleicher chemischer Zusammensetzung, die ein 3·10³fach feineres Kornvolumen als der Grundwerkstoff aufweist. Bei der Thermoermüdungsprüfung (Prüftemperatur 1050 °C) hält das beschichtete Bauteil einer dreimal höheren Temperaturlastwechselzahl stand als der unbeschichtete Grundwerkstoff.
    • Beispiel eines Verfahrens
  • Ein grobkristalline Turbinenschaufel aus In 100 als Grundwerkstoff, der sich aus den folgenden Elementen zusammensetzt:
    Figure imgb0003
    wird mittels Argonplasmaätzen bei einem Druck von 2 kPa bis 4 kPa die Oberfläche des Grundwerkstoffs um durchschnittliche 0,5 bis 10 µm abgetragen.
  • Anschließend wird mittels Plasmaspritzen mit Plasmaspritzmaterial in der gleichen chemischen Zusammensetzung wie der Grundwerkstoff bei einem Druck von 4 kPa und einer Temperatur des Grundwerkstoffes von 900 °C für 120 Sekunden der Grundwerkstoff beschichtet.
  • Nach Ausbau der beschichteten Turbinenschaufel wird eine epitaktische Rekristallisation in einem Hochvakuumofen durchgeführt. Dazu wird das Bauteil auf einer Lösungsglühtemperatur von 1200 °C für 4 Stunden gehalten und mit einer Abkühlrate von 60 °C/min auf 800 °C abgekühlt.
  • Zur Regeneration der Festigkeitseigenschaften des Grundwerkstoffs und zur Anhebung der Schichtfestigkeit wird eine zweistufige Warmbehandlung im Hochvakuum bei 1100 °C für 4 Stunden und bei 950 °C für 16 Stunden mit zwischenzeitlicher Abkühlung mit 60 °C/min auf 800 °C durchgeführt.
  • Nach Abkühlung auf Raumtemperatur wird das Bauteil in seiner Oberfläche geglättet und verfestigt durch eine Strahlbearbeitung mit Zirkonoxydkugeln von 0,5 mm bis 1 mm Durchmesser.

Claims (9)

  1. Bauteil aus einem Grundwerkstoff auf Nickel- oder Kobaltbasis mit einer Schutzschicht aus chemisch gleichem Werkstoff gegen Oxydation, Korrosion und Thermoermüdung, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzschicht wesentlich feinkörniger strukturiert ist als der Grundwerkstoff derart, daß das Kornvolumen der Beschichtung um mindestens drei Zehnerpotenzen kleiner ist als das Kornvolumen des Grundwerkstoffs und daß die unterste Lage der feinkörnigen Beschichtung die gleiche Kristallorientierung wie die großvolumigen Kristallite des Grundwerkstoffes an der Beschichtungsgrenze aufweisen.
  2. Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzschicht weniger Korngrenzenausscheidungen und eine gleichbleibende Legierungszusammensetzung im Kornvolumen als der Grundwerkstoff aufweist.
  3. Bauteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Grundwerkstoff und die Schutzschicht eine Zusammensetzung von:
    Figure imgb0004
    Figure imgb0005
    aufweisen.
  4. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzschicht Weniger Vanadium- oder Titanausscheidungen an den Korngrenzen aufweist als ein Grundwerkstoff mit gleichem Vanadium- oder Titangehalt.
  5. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzschicht eine Plasmaspritzschicht ist.
  6. Verfahren zur Herstellung eines Bauteils nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:
    a) Oberflächenvorbehandlung durch ein Abtragen der Oberfläche des Grundwerkstoffs zur Verbesserung der Haftung,
    b) Beschichten des Grundwerkstoffs mittels Plasmaspritzen mit Plasmaspritzmaterial in der chemischen Zusammensetzung des Grundwerkstoffs,
    c) epitaktische Rekristallisation mittels Lösungsglühen bei Temperaturen zwischen 1150°C und 1250°C,
    d) Nachbehandlung der Oberfläche der Schutzschicht durch mechanisches Verdichten zur Glättung und Verfestigung der Oberfläche und/oder Diffusionsbeschichten zur Erhöhung der Oxydationsbeständigkeit.
  7. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Abtrag mittels chemischem Ätzen, Plasmaätzen oder abrasiver Strahlbearbeitung durchgeführt wird.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche der Schutzschicht mit eienr Verfestigungsstrahlbearbeitung und/oder Druckfließläppbearbeitung und/oder Gleitschleifbearbeitung durchgeführt wird.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche der Schutzschicht mit einer Diffusionsbeschichtung mit Aluminium und/oder Chrom nachbehandelt wird.
EP90103963A 1989-03-09 1990-03-01 Bauteil mit Schutzschicht auf Nickel- oder Kobaltbasis Expired - Lifetime EP0386618B1 (de)

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