NO148114B

NO148114B - Termisk beskyttet konstruksjon av en superlegering.

Info

Publication number: NO148114B
Application number: NO763047A
Authority: NO
Inventors: George William Goward; Delton Andrews Grey; Richard Carroll Krutenat
Original assignee: United Technologies Corp
Priority date: 1975-09-11
Filing date: 1976-09-06
Publication date: 1983-05-02
Also published as: DE2640829C2; DK370176A; FR2323656B1; NO763047L; DK151901B; AU504802B2; IL50375A0; DE2640829A1; DK151901C; BE845193A; AU1693276A; CA1068178A; NO148114C; SU1505441A3; PL120368B1; GB1519370A; SE440238B; BR7605892A; IN145818B; YU42647B

Description

1

Den foreliggende oppfinnelse vedrører en termisk beskyttet konstruksjon av en superlegering, hvor konstruksjonen omfatter et underlag av et materiale i form av en nikkel- eller koboltsuperlegering, et metallbindingsbelegg på underlaget samt et zirkoniumoksydbasert, keramisk termisk barrierebelegg på bindingsbelegget.

Plasmasprøytede, metalliske og keramisk termiske barrierebelegg hvor det anvendes stabilisert zirkoniumoksyd er i utstrakt bruk for beskyttelse av metallkomponenter som er utsatt for be-tingelser med høy temperatur, og generelt for senking både av grunnmetallets temperatur og virkningene av termiske transienter. Slike systemer er vanlig brukt i forbrenningskamre, overgangs-kanaler og etterbrennerforinger i gassturbinmotorer og kan også anvendes for beskyttelse av skovlplattformer og aerofoiler på ulike trinn.

Det viktigste trekk ved disse belegg er deres termiske isolasjonsegenskaper, idet størrelsen av nedsettelsen av grunn-metalltemperaturen og transient termisk spenning er knyttet til lav varmeledningsevne hos oksydkomponenten og beleggenes tykk-else. Generelt er de ønskete egenskaper hos et praktisk, termisk barrierebelegg følgende:

a) lav varmeledningsevne,

b) tilstrekkelig heft til å motstå avskalling som følge

av termisk spenning, dvs. at det er nødvendig med god binding

mellom partiklene og med underlaget,

c) maksimal metallurgisk helhet og oksydasjons-varmkorro-sjonsbestandighet hos den metalliske bestanddel, d) mest mulig overensstemmende varmeutvidelse mellom det keramiske materiale og den underliggende legering, e) tilfredsstillende stabilisering av den ønskete (kubisk zirkoniumoksyd) krystallstruktur for å minimisere virkninger av ulinear termisk utvidelse bevirket av strukturell omvandling, samt

f) reparerbarhet under fremstilling og etter bruk.

Ifølge den aktuelle tilstand av kjent teknikk anvendes

det atskillige keramisk-metalliske systemer basert på magnesium-oksydstabilisert zirkoniumoksyd. Vanligvis er grunnmetallet en nikkel- eller koboltsuperlegering, såsom "Hastelloy X", en legering som foruten nikkel inneholder 22% krom, 0,1% karbon, 0,5% magnesium, 0,5% silisium, 1,5% kobolt, 9% molybden, 0,6% wolfram og 18,5% jern, TD-nickel, en legering som foruten nikkel inneholder 2,2% thorium, eller "Haynes 188", en legering som foruten kobolt inneholder 22% nikkel, 22% krom, 14,5% wolfram, 0,1% karbon og 0,0075% lantan, som er belagt med et bindingslag av en nikkellegering med 5% aluminium eller 20% krom, et mellomlig-gende, metallisk, stabilisert, keramisk zirkoniumoksydlag og et dekklag av stabilisert zirkoniumoksyd. Disse lag er plasma-sprøytet på grunnmetallet, og man har nå forstått at bedre egenskaper og lavere påføringsomkostninger kan oppnås ved fremgangs-måter med nominell kontinuerlig gradering, hvorved konsentrasjonen av zirkoniumoksyd økes kontinuerlig fra 0, ved grense-flaten mellom bindingslaget og grunnmetallet, til stort sett 100% ved ytterflaten. Generelt påføres disse belegg til en tyk-kelse på ca. 380 nm.

Detaljerte diskusjoner som er representative for disse ulike teknikker kan finnes i US-patentskrift 3.006.782 vedrørende oksydbelagte gjenstander med metallunderbelegg, hvor først på-føres et metallbindingsbelegg og deretter påføres et keramisk belegg, US-patentskrift 2.937.102 vedrørende kontroll av zir-koniumoksydstabilisering, US-patentskrifter 3.091.548 og 3.522. 064 vedrørende stabilisert zirkoniumoksyd inneholdende nioboksyd og kalsiumoksyd.

For tiden er en av de foretrukne keramiske komponenter zirkoniumoksyd, som kan anvendes enten alene eller blandet med et materiale såsom magnesiumoksyd, kalsiumoksyd, yttriumoksyd, ha^ O^ eller Ce^ O^, som er kjent for å stabilisere zirkoniumoksyd i den mer ønskelige kubiske form. Følgelig er en av de beste, kjente måter til å beskytte nikkel- og koboltsuperlegeringer mot høytemperaturbetingelser påføring av et zirkoniumoksydbasert keramisk belegg som er bundet til grunnbelegget med en nikkelkrom- eller nikkelaluminiumlegering hvor konsentrasjonen av keramisk materiale økes enten gradvis eller i sprang fra underlaget til det ytre belegg.

Selv om disse avanserte systemer har vist seg å funksjonere godt, er det iakttatt at feil, når de virkelig opptråtte, skyl-tes oksyderende nedbrytning av den metalliske bestanddel, etterfulgt av avskalling av de ytre keramiske lag. Dessuten har det når feil har opptrått vært vanskelig å reparere gjenstandene som følge av den metalliske bestanddels bestandighet overfor tilgjengelige syrestrippingsoppløsninger. Ifølge den foreliggende oppfinnelse har det vist seg at hensiktsmessig valg av bindings-beleggmetallet frembringer vesentlige forbedringer av egenskapene til den termiske barriere og mulighetene for å reparere gjen-standen .

Formålet med den foreliggende oppfinnelse er å frembringe en konstruksjon med metallbindingsbelegg som gjør det mulig å eliminere eller nedsette de ovennevnte problemer.

Detbe er ifølge oppfinnelsen oppnådd ved at bindingsbelegget er en legering av et materiale som inneholder 15-40% krom, 10-25% aluminium, 0,01-1% yttrium og resten jern, kobolt, nikkel eller en blanding av nikkel og kobolt.

Det har ifølge oppfinnelsen vist seg at bruken av denne legering som bindingsbelegg og metall i et zirkoniumoksydbasert keramisk materiale frembringer en uventet forbedring av barrie-rens termiske bestandighet. Disse legeringer er kjent som MCrAlY-legeringer og er beskrevet i detalj i US-patentskrifter 3.542.530, 3.676.085, 3.754.903 samt i US-patentskrift 3.928.026. Ifølge oppfinnelsen er det keramiske barrieremateriale fortrinnsvis blandet med legeringen i bindingsbelegget slik at keramisk materiale øker kontinuerlig fra 0% keramisk materiale ved grense-flaten mellom underlaget og bindingsbelegget til 100% keramisk materiale ved den eksponerte overflate. Selv om den kontinuerlige økning av konsentrasjonen er klart foretrukket, kan det også anvendes ett eller flere lag med sprangvis økende konsentrasjoner av zirkoniumoksyd dersom utstyr for kontinuerlig gradering ikke er tilgjengelig.

Zirkoniumoksydet som anvendes i dette belegg er fortrinnsvis stabilisert i den kubiske form ved anvendelse av kalsiumoksyd eller magnesiumoksyd, slik som kjent på området. I tillegg kan zirkoniumoksydet også inneholde andre oksyder, såsom ^ 2^ 3 0<3 L^O^f som også er kjent for å være permanente kubiske stabilisa-torer for zirkoniumoksyd, eller metastabilisatorer såsom Cq^ O^. Det er også mulig å tilsette antistabilisatorer, såsom nikkel-oksyd, sinkoksyd og koboltoksyd i blanding med det kubisk stabili-serte zirkoniumoksyd for å tilpasse egenskapene av de keramiske andeler i forhold til termisk sjokkbestandighet ved å velge kom-presjonsstyrker og varmeutvidelseskoeffisienter som svarer til egenskapene til det metalliske underlag. Disse spesifikke teknikker utgjør ikke i seg selv noen del av den foreliggende oppfinnelse, og det skal forstås at bruken av begrepet "zirkoniumoksyd", slik det anvendes her, omfatter zirkoniumoksydbaserte keramiske materialer som enten kan være rent zirkoniumoksyd eller zirkoniumoksyd blandet med ett eller flere tilsetningsstoffer som de ovenfor angitte er eksempler på.

De termiske barrierebelegg kan påføres ved teknikker som er kjent på området under anvendelse av handelsvanlig utstyr. Når det gjelder de etterfølgende eksempler ble beleggene påført ved hjelp av en minipistol "Plasmadyne" modell 1068 under anvendelse av en dyse 106 F45H-1, en "Plasmadyne" modell PS-61M på 40 kilowatt som kraftkilde samt to "Plasmadyne" modell 1008A pulvermatere. Den ene pulvermater inneholdt bindingsbelegglege-ringen, mens den annen pulvermater inneholdt zirkoniumoksydet, mens begge matere ble satt under trykk med argon. Ved å variere strømningshastighetene til hver pulvermater ble det oppnådd kontinuerlig gradering av det termiske barrierebelegg. Valget av pulverstørrelsen i materialene er ikke kritisk, og med det an-vendte utstyr viste det seg at partikkelstørrelsen i metall-bindingsbelegglegeringen fortrinnsvis var i området 0,03-0,05 mm. Dette var ikke kritisk, men bare særegent for utstyret som ble anvendt idet mindre partikkelstørrelser hadde tendens til å smelte for hurtig og tilstoppe sprøytepistolens dyse.

E ksempel 1

Plater av den ovennevnte legering "Hastelloy X" ble belagt med kontinuerlig gradert zirkoniumoksyd som var stabilisert med nikkelkrom og MgO, og ble underkastet 100 og 200 timers statiske oksydasjonsforsøk ved ca. 980°C. Metallografisk undersøkelse av beleggstrukturene etter prøven antydet at nikkelkromkornponen-ten var stort sett oksydert etter 100 timer. En annen prøve ble underkastet et oksydasjonsforsøk i 1 time ved 1095°C etterfulgt av vannavkjøling. Metallografisk undersøkelse av beleggstruk-turen etter disse behandlinger viste forvitret nikkel nesten fullstendig oksydert med sprekker løpende vertikalt mot grunnmetallet gjennom belegget. Tilsvarende forsøk ble også utført med plater av "Hastelloy X" belagt med zirkoniumoksyd stabilisert med 67,5% kobolt, 20% krom, 12% aluminium, 0,5% yttrium samt 17% MgO, med beleggtykkelser varierende mellom 0,022 og 0,035 cm. Metallografisk undersøkelse av disse prøver etter at tilsvarende forsøk som de ovenfor anførte var avsluttet, indikerte vesentlig mindre oksydasjon av bindingsbelegget, noe som nødven-digvis fører til en ventet lenger beleggslevetid. Undersøkelse av fluidiserte sjikt av de forskjellige prøver ble også utført, hvor prøvestykkene ble eksponert i to minutter ved 980°C etterfulgt av to minutters kjøling til romtemperatur. Ved anvendelse av kobolt-, krom-, aluminium- og yttriumholdige prøver ble under-søkelsene avbrutt etter 100 cykler med tilfredsstillende heft mellom belegget og den underliggende legering, og ved metallo-graf isk undersøkelse viste komponentene bare delvis oksydasjon. Nikkelkromprøvene var imidlertid fullstendig oksydert.

Eksempel 2

De indre flater av atskillige brennerbeholdere i full måle-stokk av ovennevnte legering "Hastelloy X" for en gassturbinmotor (JT8D 17) ble belagt med den ovenfor anførte kontinuerlig gra-derte MgO/ZrC^-kobolt/krom/aluminium/yttriumlegering og underkastet eksperimentell motorprøving. I en 150 timers holdbarhets-prøve var denne legering vesentlig bedre når det gjelder kant-avskalling enn det konvensjonelle belegg av 17% MgO/ZrC^ Ni-20% Cr på en annen brenner i samme prøve.

Selv om det ifølge oppfinnelsen foretrekkes å anvende den ovenfor angitte kobolt-, krom-, aluminium- og yttriumlegering og ZrC>2 stabilisert med 17% MgO, kan det anvendes andre sammen-setninger av fagfolk på området. Den spesifikke kobolt-, krom-, aluminium- og yttriumlegering som er anvendt i eksemplene er representative for den store klasse av materialer som består av 15-40% krom, 10-25% aluminium og mindre enn 1% yttrium legert med jern, kobolt, nikkel eller nikkel-kobolt. Denne generelle klasse av materialer er f.eks. beskrevet i de ovenfor anførte US-patentskrifter.

Claims

1. Termisk beskyttet konstruksjon av en'superlegering, hvor konstruksjonen omfatter et underlag av et materiale i form av en nikkel- eller koboltsuperlegering, et metallbindingsbelegg på underlaget samt et zirkoniumoksydbasert, keramisk termisk barrierebelegg på bindingsbelegget, karakterisert ved at bindingsbelegget er en legering av et materiale som inneholder 15-40% krom, 10-25% aluminium, 0,01-1% yttrium og resten jern, kobolt, nikkel eller en blanding av nikkel og kobolt.

2. Konstruksjon i samsvar med krav 1, karakterisert ved at det keramisk termiske barrieremateriale er blandet med legeringen i bindingsbelegget slik at konsentrasjonen av det keramiske materiale øker kontinuerlig fra underlaget til den ferdige overflate.