DE3740478C1 - Hochtemperatur-Schutzschicht - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Hochtemperatur- Schutzschicht gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Solche Hochtemperatur-Schutzschichten kommen vor allem dort zur Anwendung, wo das Grundmaterial von Bauele­ menten aus warmfesten Stählen und/oder Legierungen zu schützen ist, die bei Temperaturen über 600°C verwendet werden.

Durch diese Hochtemperatur-Schutzschichten soll die Wir­ kung von Hochtemperaturkorrosionen vor allem von Schwe­ fel, Ölaschen, Sauerstoff, Erdalkalien und Vanadium ver­ langsamt bzw. vollständig unterbunden werden. Solche Hochtemperatur-Schutzschichten sind so ausgebildet, daß sie direkt auf das Grundmaterial des zu schützenden Bau­ elementes aufgetragen werden können.

Bei Bauelementen von Gasturbinen sind Hochtemperatur- Schutzschichten von besonderer Bedeutung. Sie werden vor allem auf Lauf- und Leitschaufeln sowie auf Wärmestau­ segmente von Gasturbinen aufgetragen.

Für die Fertigung dieser Bauelemente wird vorzugsweise ein austenitisches Material auf der Basis von Nickel, Kobalt oder Eisen verwendet. Bei der Herstellung von Gasturbinenbauteilen kommen vor allem Nickel-Superle­ gierungen als Grundmaterial zur Anwendung.

Bis jetzt ist es üblich, Bauelemente, die für Gastur­ binen bestimmt sind, mit Schutzschichten zu versehen, die durch Legierungen gebildet werden, deren wesentliche Bestandteile Nickel, Chrom, Aluminium und Yttrium sind. Solche Hochtemperaturschutzschichten weisen eine Matrix auf, in die eine aluminiumhaltige Phase eingelagert ist. Wird ein Bauelement, das mit einer solchen Hochtempera­ turschutzschicht versehen ist, einer Betriebstemperatur von mehr als 950°C ausgesetzt, so beginnt das in der Phase enthaltene Aluminium an die Oberfläche zu diffun­ dieren, wo es zur selbsttätigen Ausbildung einer Alumi­ niumoxiddeckschicht kommt.

Von Nachteil ist hierbei, daß diese Deckschicht keine besonders gute Haftung aufweist, und deshalb durch die Einwirkung von Korrosionen mit der Zeit abgetragen wird, so daß der hierdurch selbsttätig entstandene Schutz für die Hochtemperaturschutzschicht verloren geht. Im Laufe der Zeit schreitet die Korrosion so weit fort, daß die Matrix der Hochtemperaturschutzschicht selbst ange­ griffen wird.

Es hat sich jedoch gezeigt, daß durch solche Hochtem­ peraturschutzschichten Bauelemente aus austenitischen Werkstoffen am besten geschützt werden, so daß auf diese Schutzschichten nicht verzichtet werden kann.

Aus der US-PS 38 37 894 ist ein Verfahren zur Her­ stellung einer korrosionsbeständigen doppelten Schutz­ schicht beschrieben. Hierbei wird zunächst eine Unter­ schicht bestehend aus zwei Materialien auf das zu beschichtende Bauelement aufgetragen. Die beiden Werk­ stoffe, die hierfür Anwendung finden, werden aus Metallen, Legierungen oder intermetallischen Materialien ausgewählt. Nach dem Aufbringen dieser Werkstoffe wird das zu beschichtende Bauelement soweit erhitzt, daß die aufgetragenen Werkstoffe miteinander reagieren.

Daraufhin wird der eigentliche Überzug aufgetragen. Der hierfür verwendete Werkstoff besteht aus Metall, einer Metall-Legierung, einem intermetallischen Werkstoff, einem Metalloxid, einem Metallcarbid, einem Metallni­ trid, einem Metallborid, einem Metallsilizid oder einer Metallkeramikverbindung.

In der US-PS 40 95 003 ist eine gegen Temperatur und Korrosion beständige Schutzschicht beschrieben. Diese besteht aus Chrom, Molybdän, Wolfram, Eisen und Nickel bzw. aus Nickel, Chrom, Wolfram, Silizium, Lanthan, Kohlenstoff und Kobalt oder Kobalt, Chrom, Aluminium und Yttrium. Auf diese Schutzschicht wird eine Oxidschicht aus Magnesium- und Zirkoniumoxid aufgetragen.

In der US-PS 40 88 479 ist eine Hochtemperatur-Schutz­ schicht beschrieben, die aus Chrom, Kobalt und Nickel besteht. Sie kann auch aus einer Aluminium-, Silizium- und Yttriumlegierung gefertigt werden.

Der Erfindung liegt ausgehend von dem eingangs genannten Stand der Technik die Aufgabe zugrunde, eine Hochtempe­ raturschutzschicht zu schaffen, die selbst fest haftet und zudem eine fest haftende und langlebige Deckschicht aufweist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.

Bei der erfindungsgemäßen Schutzschicht handelt es sich um eine oxiddispersionsgehärtete Legierung. Sie weist eine deutliche Verbesserung der der Oxidbeständigkeit gegenüber den bereits bekannten Hochtemperaturschutz­ schichten auf. Bei der erfindungsgemäßen Hochtempera­ tur-Schutzschicht ist festzustellen, daß sie ebenfalls aluminiumhaltige Phasen aufweist, welche die Ausbildung einer aluminiumoxidhaltigen Deckschicht ermöglichen. Wird dem Basiswerkstoff, der die Hochtemperatur- Schutzschicht bildet, Zirkonium und Silizium zulegiert, so kommt es auf der aluminiumoxidhaltigen Deckschicht zur Ausbildung einer zusätzlichen Aluminium-Nickel- Chrom-Oxidschicht, welche den Schutz der Hochtempera­ tur-Schutzschicht und des darunter befindlichen Bauele­ mentes wesentlich erhöht. Mit einem Zusatz von Silizium und Tantal kann ebenfalls die Ausbildung einer Alumin­ iumoxiddeckschicht erreicht werden. Die mit dem einen oder anderen Zusatz hergestellte erfindungsgemäße Hoch­ temperaturschutzschicht erfährt eine wesentlich bessere Haftfestigkeit auf den Bauelementen als bekannte Schichten dieser Art. Dies gilt auch für ihre Deck­ schichten. Die feste und beständige Haftung der Schutzschicht und ihrer Deckschicht wird durch den speziell für die Legierung festgelegten Anteil an Yttrium erreicht. Unter gewissen Betriebsbedingungen hat sich zur Erzielung einer besonders guten Haftung der Schichten der Zusatz von Yttrium und Hafnium erwiesen. Es hat sich desweiteren gezeigt, daß bei der Einwirkung von bestimmten Schadstoffen die gute Haftfestigkeit auch durch Hafnium alleine erreicht werden kann.

Durch den Zusatz des Yttriums in Mengen von 0,2 bis 2 Gew.-% wird die Oxidationsgeschwindigkeit auf der Ober­ fläche der Hochtemperaturschutzschicht in einem bisher nicht dagewesenen Maß reduziert. Dieser Effekt wird durch den Zusatz von Hafnium sogar noch etwas verstärkt. Die erfindungsgemäße Hochtemperatur-Schutzschicht wird bei einer bevorzugten Ausführungsform durch eine Legie­ rung gebildet, die Chrom, Aluminium, Nickel, Yttrium, Silizium und Zirkonium enthält. An Stelle von Yttrium können auch Yttrium und Hafnium oder Hafnium alleine verwendet werden. Eine bevorzugte Zusammensetzung dieser Legierung weist 25 bis 27 Gew.-% Chrom, 4 bis 7 Gew.-% Aluminium, 0,2 bis 2 Gew.-% Yttrium, 1 bis 3 Gew.-% Sili­ zium und 1 bis 2 Gew.-% Zirkonium auf, wobei der übrige Anteil der Legierung durch Nickel gebildet wird. Die 0,2 bis 2 Gew.-% Yttrium können auch durch 0,2 bis 2 Gew.-% Yttrium und Hafnium bzw. durch 0,2 bis 2 Gew.-% Hafnium ersetzt werden.

Eine Hochtemperatur-Schutzschicht mit den gleichen Ei­ genschaften wird durch die Verwendung einer Legierung erzielt, die Chrom, Aluminium, Yttrium, Nickel, Silizium und Tantal enthält. Auch hierbei kann der Anteil des Yttriums durch Yttrium und Hafnium bzw. Hafnium alleine ersetzt werden. Vorzugsweise wird eine Legierung verwen­ det, die 23 bis 27 Gew.-% Chrom, 3 bis 5 Gew.-% Aluminium, 0,2 bis 2 Gew.-% Yttrium, 1 bis 2,5 Gew.-% Silizium, 1 bis 3 Gew.-% Tantal enthält, wobei der übrige Anteil der Legierung aus Nickel besteht. Die 0,2 bis 2 Gew.-% Yt­ trium können auch durch 0,2 bis 2 Gew.-% Yttrium und Haf­ nium bzw. durch 0,2 bis 2 Gew.-% Hafnium ersetzt werden. Alle Gewichtsangaben beziehen sich auf das Gesamtgewicht der jeweiligen Legierung.

Alle hier beschriebenen Legierungen sind in gleicher Weise für die Ausbildung einer Hochtemperatur- Schutzschicht geeignet. Gleichgültig durch welche der oben beschriebenen Legierungen sie gebildet werden, es entstehen in jedem Fall unter Betriebsbedingungen auf diesen Schutzschichten Aluminiumoxid-Deckschichten, die sich bei jeder der erfindungsgemäßen Legierungs­ zusammensetzungen gleich schnell und gleich stark aus­ bilden, und die auch bei Temperaturen, die größer als 950°C sind, nicht abgetragen werden.

Anhand einer Ausführungsbeispiels, das die Herstellung eines beschichteten Gasturbinenbauteils beschreibt, wird die Erfindung näher erläutert. Das zu beschichtende Gasturbinenbauteil ist aus einem austenitischen Materi­ al, insbesondere einer Nickel-Superlegierung gefertigt. Vor der Beschichtung wird das Bauteil zunächst chemisch gereinigt und dann mit einem Sandstrahl aufgerauht. Die Beschichtung des Bauelementes erfolgt unter Vakuum mit­ tels Plasmaspritzen.

Für die Beschichtung wird eine Legierung verwendet, die 25 bis 27 Gew.-% Chrom, 4 bis 7 Gew.-% Aluminium, 0,2 bis 2 Gew.-% Yttrium, 1 bis 3 Gew.-% Silizium, 1 bis 2 Gew.-% Zirkonium aufweist. Der übrige Anteil der Legierung be­ steht aus Nickel.

Die 0,2 bis 2 Gew.-% Yttrium können auch durch 0,2 bis 2 Gew.-% Yttrium und Hafnium oder durch 0,2 bis 2 Gew.-% Hafnium ersetzt werden.

Anstelle dieser Legierung kann auch eine Legierung ver­ wendet werden, die 23 bis 27 Gew.-% Chrom, 3 bis 5 Gew.-% Aluminium, 0,2 bis 2 Gew.-% Yttrium, 1 bis 2,5 Gew.-% Si­ lizium, 0,1 bis 3 Gew.-% Tantal aufweist, wobei der rest­ liche Anteil der Legierung Nickel ist. Die 0,2 bis 2 Gew.-% Yttrium können auch durch 0,2 bis 2 Gew.-% Yttrium und Hafnium bzw. durch die gleiche Menge Hafnium alleine ersetzt werden.

Alle Gewichtsangaben beziehen sich auf das Gesamt­ gewicht der verwendeten Legierung.

Das die Legierung bildende Material liegt in Pulverform vor und weist vorzugsweise eine Korngröße von 45 µm auf. Vor dem Aufbringen der Hochtemperatur-Schutz­ schicht, insbesondere vor dem Aufbringen der die Schutz­ schicht bildenden Legierung, wird das Bauelement mit Hilfe des Plasmas auf 800°C erhitzt. Die Legierung wird direkt auf das Grundmaterial des Bauelementes auf­ getragen. Als Plasmagas wird Argon und Wasserstoff ver­ wendet. Nach dem Aufbringen der Legierung wird das Bau­ element einer Wärmebehandlung unterzogen. Diese erfolgt in einem Hochvakuumglühofen. In ihm wird ein Druck auf­ recht erhalten, der kleiner als 5 × 10^-3 Torr ist. Nach dem Erreichen des Vakuums wird der Ofen auf eine Tempe­ ratur von 1100°C aufgeheizt. Die oben angegebene Tempe­ ratur wird während etwa 1 Stunde mit einer Toleranz von etwa ± 4°C gehalten. Anschließend wird die Heizung des Ofens abgeschaltet. Das beschichtete und wärmebehan­ delte Bauelement wird im Ofen langsam abgekühlt. Seine Herstellung ist nach dem Abkühlen beendet. Alle Legie­ rungsvarianten werden in der gleichen Weise aufgetragen.

Claims (4)

1. Hochtemperatur-Schutzschicht, dadurch gekenn­ zeichnet, daß diese 25 bis 27 Gew.-% Chrom, 4 bis 7 Gew.-% Aluminium, 0,2 bis 2 Gew.-% Yttrium und/oder Hafnium, 1 bis 3 Gew.-% Silizium und 1 bis 2 Gew.-% Zirkonium ent­ hält, und der restliche Anteil aus Nickel besteht.

2. Hochtemperatur-Schutzschicht, dadurch gekenn­ zeichnet, daß diese 25 bis 27 Gew.-% Chrom, 4 bis 7 Gew.-% Aluminium, 0,2 bis 2 Gew.-% Yttrium, 1 bis 3 Gew.-% Sili­ zium und 1 bis 2 Gew.-% Zirkonium enthält, und der rest­ liche Anteil aus Nickel besteht.

3. Hochtemperatur-Schutzschicht, dadurch gekenn­ zeichnet, daß diese 23 bis 27 Gew.-% Chrom, 3 bis 5 Gew.-% Aluminium, 0,2 bis 2 Gew.-% Yttrium, 1 bis 2,5 Gew.-% Si­ lizium und 0,1 bis 3 Gew.-% Tantal aufweist, und der restliche Anteil aus Nickel besteht.

4. Hochtemperatur-Schutzschicht, dadurch gekenn­ zeichnet, daß diese 23 bis 27 Gew.-% Chrom, 3 bis 5 Gew.-% Aluminium, 0,2 bis 2 Gew.-% Yttrium und/oder Hafnium, 1 bis 2,5 Gew.-% Silizium und 0,1 bis 3 Gew.-% Tantal auf­ weist, und der restliche Anteil aus Nickel besteht.