NO139970B - Sammensatt gjenstand av et superlegeringsunderlag og en til superlegeringsunderlaget bundet belegningslegering - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår en sammensatt gjenstand av et superlegeringsunderlag belagt med en overfor oxydasjon og varmkorrosjon motstandsdyktig belegningslegering bestående av nikkel, krom og silicium og som herefter vil bli betegnet som AMB-2.

Motstandsdyktighet overfor varmkorrosjon er nødvendig for an-vendelser i turbiner hvor naturgass eller uforurensede lette destil-later forbrennes, eller i forurensede omgivelser omfattende for-brent dieselolje, tunge destillatoljer eller restoljer.

En rekke beskyttende legeringsbelegg for superlegeringsunderlag er beskrevet i teknikkens stand. Disse belegg omfatter de vanlige aluminidbelegg som teknisk er begrenset ved at beleggtykkelsen er begrenset og fører til en for tidlig nedbrytning av beleggene og som dessuten ikke har den meget gode motstandsdyktighet overfor varmkorrosjon som det på den belagte legeringsgjenstand ifølge oppfinnelsen påførte legeringsbelegg, spesielt når det anvendes under varmkorroderende betingelser. Den belegningslegering som anvendes ifølge oppfinnelsen, er også rimeligere å fremstille enn de kjente legeringer. En reparering' i felten av komponenter som er tatt ut av tjeneste, kan utføres enkelt og mer økonomisk da valgte områder på

ny kan belegges uten at det er nødvendig å maskere eller beskytte områder som det ikke er nødvendig å påføre et ytterligere belegg,

som tilfellet er ved påføring av aluminidpakningsbelegg eller be-

legg avsatt fra dampfase ved hjelp av en elektronstråle.

Ved vurderingen av belegningslegeringer for superlegeringsunderlag ble det oppdaget at legeringen må ha de følgende egenskaper : 1) Den må være motstandsdyktig overfor oxydasjon og varmkorrosjon innen temperaturområdet 760-1093°C.

2) Den må smelte, fuktes og flyte jevn ved en temperatur

under det begynnende smeltepunkt for superlegeringsunderlaget.

Ideelt bør vakuumslagloddingstiden/temperatursyklusen som anvendes for å påføre belegningslegeringen på underlaget, være forenlig med den normale varmebehandlingsyklus for underlaget. 3) Den må være metallurgisk stabil og forenlig med under-lagslegeringen.

Oppfinnelsen angår en sammensatt gjenstand som er motstandsdyktig overfor oxydasjon og varmkorrosjon og utgjøres av et superlegeringsunderlag og en til dette bundet belegningslegering, og den sammensatte gjenstand er særpreget ved at belegningslegeringen består av 40-65 vekt% krom, 5-12 vekt% silicium og resten nikkel og har en mikrostruktur som inneholder en blanding av en ^<*->Ni-grunnmasse, utfelte <3^-Cr-partikler og et Ni:Si-eutektikum.

En foretrukken belegningslegering består av ca. 45 vekt% krom, ca. 10 vékt% silicium og resten nikkel.

Det er kjent at store mengde Cr er meget effektive for å hindre varmkorrosjon forårsaket av Na- og S-holdige atmosfærer innen temperaturområdet 760-982°C. Ved disse temperaturer er det nødvendig med over ca. 36% Cr for å danne <£-Cr-utfeining. Det bør imidlertid bemerkes at krominnholdet ikke bø;r være for høyt da belegget derved kan bli sprøtt innen det nevnte temperaturområde. Denne sprøhet forårsakes av dannelsen av for store mengder hard, romsentrert, kubisk «(,-Cr-utfeining.

På lignende måte er silicium gunstig for oppnåelse av motstandsdyktighet overfor oxydasjon og varmkorrosjon på grunn av at det fører til dannelse av SiO,,. Silicium anvendes for å regulere beleggets smelte- og størkningstemperatur da den eutektiske temperatur for det rene binære Ni-Cr-system er 1343°C som er for høy for de fleste på nikkel baserte superlegeringsunderlag.

Belegget kan påføres på underlaget ved hjelp av forskjellige metoder, omfattende vakummslaglodding som er en veletablert industriell metode. Andre vanlige metoder for påføring av belegningslegeringen på superlegeringsunderlaget kan imidlertid anvendes, som påsprøyting av en oppslemning, en aerosol eller et plasma med varmebehandling og ved hjelp av overføringsklebebånd-metoder. Enkelte metoder bør imidlertid unngås, som avsetning fra dampfase som fører til et belegg med en mikrostruktur som er orientert vertikalt på underlagets overflate og derved representerer potensielle kortslutningsdiffusjonsbaner, f.eks. korngrenser, og vekstdefekter for innføring av korroderende materialer, som svovel og oxygen, i underlaget. Den ved hjelp av vakuumslaglodding på-førte legeringsstruktur er efter fornyet størkning uorientert slik at den nevnte potensielle svikt unngås. Da belegningslegeringen påføres i flytende tilstand og ikke fra dampfase, vil en større ut-skillelse av belegn-ingselementene forekomme. Ved anvendelse av den beskrevne belegningslegering trekkes det nytte av denne kjens-gjerning da et høyt krominnhold fører til utfelte fl^-Cr-partikler dispergert i en fast o<p>pløsning av en "V\-nikkelgrunnmasse inneholdende en stor krommengde. Den eutektiske fase Ni:Si med lavere smeltepunkt er likeledes godt dispergert i belegget når dette størkner.

Eksempler

En belegningslegering ble fremstilt ved anvendelse av en legering omfattende 45% krom, 10% silicium og resten nikkel. Andre blandinger kan anvendes innen det ovennevnte område. Underlaget ble behandlet ved hjelp av mekanisk avslipning eller kjemisk ren-sing fulgt av elektropåføring av et 0,051-0,0254 mm tykt nikkellag. Den anvendte legering hadde form av et pulver og ble overført til et slagloddingsoverføringsbånd. Båndet besto av et pulver med partikler fra -200 til +325 mesh som ble holdt sammen med ca. 5% av et organisk bindemiddel på et plastbæreark. En bit med den ønskede form slik at den passet til underlaget, ble skåret av fra over-føringsbåndet. Plastbærearket ble fjernet og båndet påført på underlaget.

Ytterligere flytende slagloddingssement kan være nødvendig for at båndet skal klebe fast til stedet. Den belagte del under-kastes derefter en vakuumslagloddingssyklus. Denne reguleres slik at bindemidlet avgis i form av en gass ved en temperatur på 371-538°C for å nedsette forurensningen av belegget og underlaget til et minimum. Den optimale vakuumslagloddingssyklus består i at legeringen oppvarmes til en temperatur på ca. 1135°C i ca. 5 minutter, fulgt av en avkjøling med argongass. Det er vanligvis ikke nødvendig med en avsluttende bearbeiding da den således belagte overflate har en overflatefinish innen området 889-1524 nm (rot-middel-kvadrat). Delen kan utsettes for en sluttvarmebe-handling for utvikling av underlagets mekaniske egenskaper. Dette trinn bør utføres ved en temperatur godt under legeringspåførings-temperaturen for å hindre en fornyet smelting av belegget eller en for sterk diffundering av kritiske elementer over grenseflaten mellom belegget og underlaget. Belegningssyklusen må derfor om-fattes av den egnede varmebehandlingssekvens for den spesielt anvendte underlagslegering.

I størknet tilstand inneholder mikrostrukturen for legeringen en blanding av -Ni-grunnmasse, utfelte fif -Cr-partikler og et Ni:Si-eutektikum. Den nøyaktige sammensetning og morfologi for disse faser er avhengige både av legeringspulveret og underlags-legeringens utgangssammensetning og dessuten av de påfølgende be-leggpåførings- og varmebehandlingssykluser. Legeringens korrosjons-motstandsdyktighet skyldes det høye Cr-innhold(dvs. 45% ) i belegget, og nærmere bestemt ( L -Cr-partiklene og ^-Ni-grunnmassen med høyt Cr-innhold som utgjør en meget betydelig andel av den belagte gjenstand. Da belegget påføres i flytende form og bringes til å

størkne på ny, vil elementer fra underlaget lett innarbeides i belegget. Påføringssyklusen (tid og temperatur) kan derfor utnyttes for i en viss grad å regulere beleggets morfologi og sammensetning. Nikkelbaserte superlegeringer er blitt belagt innen temperaturområdet 1126-1166°C med en tid innen dette temperaturområde på 2-20 minutter. Lavere påføringstemperaturer foretrekkes ikke på grunn av smelteegenskapene for AMB-2. Høyere påføringstemperaturer kan anvendes avhengig av oppvarmings- og avkjølingshastighetene, det anvendte utstyr og andre avveininger. Spesielle superlegeringsunderlag kan også kreve høyere temperaturer. De optimale parametere for de beskrevne legeringer er imidlertid 5 minutter ved 1135°C.

Jo høyere temperaturen er, desto kortere vil vanligvis tiden være

for å hindre en for sterk flytning, reaksjon og diffundering inn i underlaget. Høye temperaturer og/eller lengre påføringstider befordrer dannelsen av store Qf -Cr-partikler og en mindre mengde Ni:Si-eutektikum. 0q en sterkere diffundering mellom belegget

og underlaget. Lavere temperaturer og tider fører til dannelse av mindre, bedre dispergerte {£-Cr-partikler og en mindre mengde Ni:Si-eutektikum og en nedsatt diffundering mellom belegget og underlaget. Et særtrekk ved det beskrevne påførte legeringsbelegg i den tilstand det foreligger som påført, er at det ikke har en kompleks "diffusjonssone" mellom belegget og underlaget. I mot-setning hertil er vanlige aluminidbelegg særpreget ved en finger-lignende diffusjonssone som inneholder sprøe intermetalliske for-bindelser, som ( f og carbider.

Sammensetningene for superlegeringsunderlagene hvorpå belegget påføres, er gjengitt i den nedenstående tabell A.

Den beskrevne legerings uorienterte struktur skyldes arten

av smelteprosessen og den fornyede størkningsprosess. En ut-skillelse av elementene og derav følgende utfellinger er avhengig av sammensetningen, den tilførte varmemengde under påføringen og av avkjølingsbetingelsene. Fra dampfase avsatte siktlinjebelegg, som MCrAlY-beleggene avsatt ved hjelp av fordampning med en elektronstråle, vokser vanligvis loddrett i forhold til underlagets overflate. Kornveksten forekommer derfor loddrett i forhold til underlaget, og dette fører til at vekstdefekter også er orientert. Vekstdefekter er, når de forekommer i den beskrevne legering, uorienterte størkningsdefekter.

Som nevnt ovenfor har det beskrevne legeringsbelegg for et superlegeringsunderlag en overlegen motstandsdyktighet overfor varmkorrosjon sammenlignet med kjente belagte superlegeringer. Undersøkelser av motstandsdyktigheten overfor oxydasjon og varmkorrosjon er blitt utført under simulerte gassturbinbetingelser i en liten brenneranordning for forbrenning. En regulert atsmosfære ble fremstilt ved å forbrenne dopet dieselolje inneholdende 1% S hvortil kunstig fremstilt sjøsalt ble blandet for å gi 8 deler Na pr. million deler (ppm) i forbrenningsproduktene.

Anordningen ble holdt ved 871°C, forholdet luft:brensel var

60:1, og gasshastigheten var 21 m/s. Prøvestykkene ble fjernet og hver 50 time blåst med luft inntil de var blitt avkjølt til værelsetemperatur, for å simulere nedkjøring av en gassturbin og for å befordre avskalling av oxyd og/eller belegg under kraftige termiske sykliseringsbetingelser.Dette er den . kraftigste prøvebetingelse som anvendes for å efterligne i drift forekommende varmkorrosjons-betingelser.

Ved et første forsøk ble AMB-2 påført på IN-738 under anvendelse av de ovenfor beskrevne metoder og sammenlignet med handels-tilgjengelige aluminidbelegg påført på IN-738. Resultatene ble er-holdt ved å oppdele prøvestykkene i seksjoner og ved metallografisk ved en forstørrelse på 100 ganger å fastslå den maksimale dybde av korrosjonsinntrengning gjennom belegget og underlaget, det gjennom-snittlige beleggoverflatetap og en tilnærmet beregning av det pro-sentuelle beleggareal som var tilbake. Resultatene som er gjengitt i tabell I, viser tydelig at AMB-2 er overlegent i forhold til vanlige aluminidbelegg.

Det er av betydning å merke seg at den tekniske prosess som anvendes for påføring av vanlige aluminidbelegg og som er kjent som pakningskonsentrasjon, er beheftet med tekniske og økonomiske be-grensninger som begrenser aluminidtykkelsen til ca. 76 / Usm og litt tynnere på Co-baserte superlegeringer. Da pakningssementering i sine grunntrekk er en prosess for avsetning fra dampfase, er den påførte tykkelse tidsavhengig. AMB-2 kan imidlertid påføres med tykkelse opp til ca. 254 yu^m uten forandring av tids/temperatur-vakuumpåføringssyklusen. Disse resultater i tabell 1 viser at de undersøkte aluminidbelegg var i det vesentlige fullstendig gjennom-trengt efter bare 600-1000 timer og at det praktisk talt ikke var noe belegg tilbake. I flere tilfeller ble IN-738-underlaget ut-

satt for en betydelig korrosjon på grunn av ødeleggelsen av belegget.

Resultatene i tabell I viser dessuten at en vesentlig andel

av AMB-2 var tilbake efter 2000 timers prøving. Dette skyldes delvis at AMB-2 kan påføres med en tykkelse på opp til 254 /■«-rn, som nevnt ovenfor, idet ingen forandring er nødvendig av den anvendte metode eller av tids/temperaturparameterne som anvendes for på-føringen av denne legering. AMB-2 gir derfor både en mer korrosjons-motstandsdyktig legeringssammensetning og en øket beleggtykkelse som begge fører til en lengre levealder.

En annen rekke med forsøk utført i en brenneranordning ble foretatt for legeringen Rene-77 med et påført belegg av AMB-2 (se tabell II) og sammenlignet med vanlige aluminidbelegg. En del av forsøkene ble utført i en udopet naturgassatmosfære som gir en normal oxyderende omgivelse. Aluminidbelegg gir vanligvis en ut-merket motstandsdyktighet i dette tilfelle, men de er utsatt for kraftige angrep i nærvær av atmosfærer som er forurenset med S og Na. Dette resultat som er gjengitt i tabell II, bekrefter den ovenstående anførsel om at AMB-2 er minst like beskyttende som aluminidbelegg i udopede omgivelser og overlegen i forurensede omgivelser .

Et annet mål for beleggets egenskaper er dets innvirkning

på underlagets mekaniske egenskaper (se tabell III). To forskjellige innvirkninger er mulige: (1) belegningslegeringen reagerer metallurgisk med underlaget under dannelse av uønskede faser som gjør strukturen sprø, eller (2) varmebehandlingen som er nødvendig for å påføre og stabilisere belegget, er uforenelig med varmebehandlingen av underlaget og nedsetter derved dets mekaniske egenskaper.

Ifølge tabell III ble standard 6,4 mm diameter støpte prøvestenger av Rene-77 og IN-738 slagloddingsbelagt med AMB-2, og strekkfastheten og bruddfastheten ble undersøkt. Resultatene er i tabell III sammenlignet med resultatene for stenger av disse to legeringer belagt med aluminid. Hver kombinasjon av belegg/legering ble underkastet den fullstendige varmebehandling som tidligere ble funnet å være optimal for dette system. Resultatene viser at strekkfasthetsegenskapene ved værelsetemperatur for både IN-738 og Rene-77 ble minst påvirket av AMB-2. De konvensjonelle flyte-grenser er 10-15% høyere enn for aluminidbeleggene, og duktiliteten var bare litt mindre. Det sistnevnte skyldes delvis den større tykkelse for AMB-2.

Claims (3)

1. Sammensatt gjenstand som er motstandsdyktig overfor oxydasjon og varmkorrosjon og utgjøres av et superlegeringsunderlag og en til dette bundet belegningslegering, karakterisert ved at belegningslegeringen består av 40-65 vekt% krom, 5-12 vekt% silicium og resten nikkel og har en mikrostruktur som inneholder en blanding av en ^"-Ni-grunnmasse, utfelte a-Cr-partikler og et Ni:Si-eutektikum .

2. Gjenstand ifølge krav 1,karakterisert ved at belegningslegeringen består av ca. 45 vekt% krom, ca. 10 vekt% silicium og resten nikkel.

3. Gjenstand ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at det påførte legeringsbeleggs tykkelse er opp til 254 ^im.