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DE3816310A1 - Process for enriching titanium in the immediate surface zone of a component consisting of a nickel-based superalloy containing at least 2.0 % by weight of titanium, and use of the surface enriched according to the process - Google Patents

Process for enriching titanium in the immediate surface zone of a component consisting of a nickel-based superalloy containing at least 2.0 % by weight of titanium, and use of the surface enriched according to the process

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DE3816310A1
DE3816310A1 DE3816310A DE3816310A DE3816310A1 DE 3816310 A1 DE3816310 A1 DE 3816310A1 DE 3816310 A DE3816310 A DE 3816310A DE 3816310 A DE3816310 A DE 3816310A DE 3816310 A1 DE3816310 A1 DE 3816310A1
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titanium
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nickel
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DE3816310A
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Clemens Dr Verpoort
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Original Assignee
BBC Brown Boveri AG Switzerland
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Publication date
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Abstract

Process for enriching titanium in the surface zone of a component consisting of a nickel-based superalloy with at least 2.0 % by weight of Ti to an average content of at least 25 % by weight down to a depth of at least 2 mu m, with a total depth of the enriched surface zone of at least 4 mu m, by a heat treatment, lasting for at least 1 hour, at 1100 to 1200@C in a nitrogen-containing atmosphere under a pressure of 0.1 to 10<5> Pa. Use of the surface zone as a wear-resistant, TiN-containing layer or as a substrate for the application of an additional anticorrosive and antioxidant layer of an Ni/Cr/Al/Si/Y/Ta/Co alloy. In the latter case, the titanium-enriched zone serves as a barrier layer for the Al against migration towards the interior and as an Al reservoir in subsequent operation. <IMAGE>

Description

Verfahren zur Anreicherung von Titan in der unmittelbaren Oberfächenzone eines Bauteils aus einer mindestens 2,0 Gew.-% Titan enthaltenden Nickelbasis-Superlegierung und Verwendung der nach dem Verfahren angereicherten Oberflächenzone.Process for the enrichment of titanium in the immediate Surface zone of a component made of at least 2.0% by weight Titanium-containing nickel base superalloy and use the surface zone enriched by the process.

Technisches GebietTechnical field

Gasturbinen für höchste Ansprüche. Steigerung des Wirkungs­ grades bedingt höhere Gastemperaturen und damit warmfestere Werkstoffe, geeignetere Werkstoffkombinationen und bessere Konstruktionen für die einzelnen Bauteile. Das wichtigste und kritischste Bauteil ist die Turbinenschaufel, wobei Schutz­ schichten gegen Erosion, Verschleiss, Korrosion und Oxydation bei hohen Temperaturen an Bedeutung gewinnen.Gas turbines for the highest demands. Increase in effectiveness grades requires higher gas temperatures and thus warmer Materials, more suitable material combinations and better ones Constructions for the individual components. The most important and most critical component is the turbine blade, taking protection layers against erosion, wear, corrosion and oxidation gain in importance at high temperatures.

Die Erfindung bezieht sich auf die Weiterentwicklung mechanisch und/oder thermisch hochbeanspruchter Gasturbinenschaufeln und deren Schutzschichten, wobei die vorteilhaften Eigenschaften dispersionsgehärteter Legierungen vermehrt zum Zug kommen sollen. Damit ergibt sich auch eine Erweiterung des Problem­ kreises stabiler Schutzschichten langer Lebensdauer und deren Haftung auf dem Grundwerkstoff. The invention relates to the further development mechanically and / or gas turbine blades subject to high thermal stress and their protective layers, the advantageous properties dispersion-hardened alloys are increasingly used should. This also expands the problem circle of stable protective layers with a long service life and their Adhesion to the base material.  

Insbesondere betrifft sie ein Verfahren zur Anreicherung von Titan in der unmittelbaren Oberflächenzone eines Bauteils aus einer mindestens 2,0 Gew.-% Titan enthaltenden Nickel­ basis-Superlegierung auf einen durchschnittlichen Gehalt von mindestens 25 Gew.-% bis zu einer Tiefe von mindestens 2 µm bei einer gesamten Tiefe der angereicherten Oberflächen­ zone von mindestens 4 µm.In particular, it relates to an enrichment process of titanium in the immediate surface zone of a component from a nickel containing at least 2.0% by weight of titanium base superalloy to an average salary from at least 25% by weight to a depth of at least 2 µm with a total depth of the enriched surfaces zone of at least 4 µm.

Ferner betrifft sie die Verwendung der von Titan gemäss dem Verfahren angereicherten Oberflächenzone an einem Bauteil einer thermischen Maschine.It also relates to the use of titanium according to the Process enriched surface zone on a component a thermal machine.

Stand der TechnikState of the art

Die Forderung nach höheren Wirkungsgraden der Gasturbinen führt zur Erhöhung der Gastemperaturen und damit zur Steigerung der thermischen und mechanischen Beanspruchung der entsprechen­ den Bauteile, insbesondere der Schaufeln. Hinzu kommt die Forderung nach besserer Beständigkeit gegen Verschleiss, Erosion, Korrosion und Oxydation in einem weiten Temperatur­ bereich. Da ein und derselbe Werkstoff die widersprechenden Forderungen nicht in optimaler Weise erfüllen kann, ist man zu einer Aufgabentrennung gezwungen: Hochtemperaturfester Kernwerkstoff plus geeignete Schutzschicht. Dies gilt grund­ sätzlich für alle Schaufelwerkstoffe (Superlegierungen), insbesondere aber für oxyddispersionsgehärtete Legierungen. Um die Gastemperaturen weiter steigern zu können, werden ferner im Innern gekühlte Hohlschaufeln verwendet. Um die mechanische Belastung des Rotorkörpers und das Gewicht zu reduzieren, wird die Wandstärke der Hohlschaufeln immer weiter herabgesetzt. Dabei steigen die Wandinnentemperaturen an, so dass man gezwungen wird, auch interne Schutzschichten gegen Erosion, Korrosion, Oxydation etc. vorzusehen. Bei der Kompliziertheit der Geometrie neuzeitlicher gekühlter Schaufeln ist die Herstellung geeigneter, im Betrieb haltbarer, nicht abplatzender Schutzschichten im Innern des Schaufel­ blattes ein noch kaum in befriedigender Weise gelöstes Problem. The demand for higher gas turbine efficiencies leads to an increase in gas temperatures and thus to an increase the thermal and mechanical stress the components, especially the blades. Add to that the Demand for better resistance to wear, Erosion, corrosion and oxidation in a wide temperature Area. Because one and the same material is contradictory One is not able to optimally meet requirements Forced to separate tasks: High temperature resistant Core material plus suitable protective layer. This is true additionally for all blade materials (super alloys), but especially for oxide dispersion hardened alloys. In order to be able to further increase the gas temperatures also used cooled hollow blades. To the mechanical load on the rotor body and the weight reduce, the wall thickness of the hollow blades continues to increase reduced. The inside wall temperatures rise, so that one is also forced to use internal protective layers against erosion, corrosion, oxidation etc. At the complexity of the geometry of modern refrigerated Buckets is the production of suitable, more durable, non-flaking protective layers inside the blade a problem that has hardly been solved satisfactorily.  

Schutzschichten - insbesondere Al2O3-bildende Oberflächenzonen -, wie sie unter anderem auch für oxyddispersionsgehärtete Werk­ stoffe benötigt werden, können grundsätzlich nach folgenden Verfahren hergestellt werden:Protective layers - in particular Al 2 O 3 -forming surface zones - as they are also required for materials that have been hardened by oxide dispersion, can in principle be produced using the following processes:

  • - Diffusions-Pack-Verfahren (Pt/Al): Galvanisches Aufbringen einer 5 bis 10 µm dicken Pt-Schicht als Diffusionsbarriere. Packen in Ni/Al-Pulver und Wärmebehandlung. Da das Pt zum Teil an die Oberfläche diffundiert, lässt seine Sperrwirkung im Betrieb nach. Ausserdem eignet sich dieses Verfahren nicht für komplizierte Schaufelgeometrien mit Innenkühlung.- Diffusion pack process (Pt / Al): galvanic application a 5 to 10 µm thick Pt layer as a diffusion barrier. Packing in Ni / Al powder and heat treatment. Since the Pt to Part diffuses to the surface, leaving its barrier effect in operation after. This method is also suitable not for complicated blade geometries with internal cooling.
  • - Chemischer Niederschlag aus der Dampfphase (CVD = chemical vapour deposition): Stoffe werden in der Dampf/Gas-Phase bei hohen Temperaturen zur Reaktion gebracht und die Reak­ tionsprodukte auf dem Substrat niedergeschlagen. Die Schicht­ dicke ist von der Geometrie ("Sichtdistanz") des Substrats abhängig, so dass in Hohlkörpern, an einspringenden Ecken und Unterschneidungen keine Gewähr für einen genügend dicken Niederschlag vorhanden ist.- Chemical precipitation from the vapor phase (CVD = chemical vapor deposition): substances are in the vapor / gas phase reacted at high temperatures and the reak tion products deposited on the substrate. The layer thickness is based on the geometry ("viewing distance") of the substrate dependent, so that in hollow bodies, at protruding corners and undercuts do not guarantee a sufficiently thick Precipitation is present.
  • - Salzbad-Elektrolyse: Benutzung von Hochtemperatur-Fluorid­ bädern als elektrolytisches Transportmittel für z.B. Al, Si, Ti, B, seltene Erden etc. Auch hier ist der elektroly­ tische Niederschlag und seine Diffusion und Verankerung mit dem Kernwerkstoff (Kathode) richtungsabhängig, so dass sich das Verfahren für kompliziert gestaltete Hohlkörper kaum verwenden lässt.- Salt bath electrolysis: use of high temperature fluoride bathing as an electrolytic means of transport for e.g. Al, Si, Ti, B, rare earths etc. Here, too, is the electroly precipitation and its diffusion and anchoring with the core material (cathode) depending on the direction, so that the procedure for intricately designed hollow bodies can hardly be used.
  • - Chemische Nickelabscheidung: Abscheidung von Nickelhypophos­ phid (Ni + 4 - 7% P) und Ueberführung in Nickelphosphid. Verwendung von Nickel-Bor als Reduktionsmittel. Der Nachteil besteht in der Einführung von P und B, welche Elemente nur schwer wieder zu entfernen sind.- Chemical nickel deposition: deposition of nickel hypophos phid (Ni + 4 - 7% P) and conversion into nickel phosphide. Use of nickel-boron as a reducing agent. The disadvantage consists in the introduction of P and B, which elements are difficult to remove.
  • - Physikalischer Niederschlag (Vakuumaufdampfen) aus der Dampfphase (PVD = physical vapour deposition): Nach diesem Verfahren wurden unter anderem Schutzschichten mit hohem Cr- und Al-Gehalt von Legierungen des Typs Ni/Cr/Al/Si/Y/ Ta/Co erzeugt. Für Hohlkörper kaum verwendbar. - Physical precipitation (vacuum evaporation) from the Vapor phase (PVD = physical vapor deposition): After this Processes include protective layers with high Cr and Al content of Ni / Cr / Al / Si / Y / alloys Ta / Co generated. Can hardly be used for hollow bodies.  
  • - Vakuumplasmaspritzen: Deckschichten bildende Legierungen des Typs Ni/Cr/Al/Si/Y/Ta/Co können unter Beobachtung ge­ wisser Vorsichtsmassnahmen nach diesem Verfahren aufge­ spritzt werden. Für Hohlkörper (innengekühlte Turbinen­ schaufeln) ist diese Methode jedoch nicht zu gebrauchen.- Vacuum plasma spraying: alloys forming outer layers of the Ni / Cr / Al / Si / Y / Ta / Co type can be observed under observation know more precautions after this procedure be injected. For hollow bodies (internally cooled turbines shoveling) this method is not to be used.

Die Materialabtragung durch Verschleiss und Erosion (Fest­ körpererosion) spielt auch bei Innenkühlung neuderdings eine zunehmende Rolle. Unter den verschleissfesten Materialien bietet sich unter anderm Titannitrid TiN an, welches eine Härte von über 1100 HV (Vickers-Einheiten) besitzt. TiN ist besonders erosionsfest und zeigt auch gegen Reib-Korrosion ein gutes Verhalten.Material removal through wear and erosion (hard body erosion) now also plays a role in internal cooling increasing role. Among the wear-resistant materials offers itself among other things titanium nitride TiN, which a Hardness of over 1100 HV (Vickers units). Is TiN particularly erosion-resistant and also shows against fretting corrosion good behavior.

Grundsätzlich kann Titan durch Flammspritzen und Plasmaspritzen auf ein Substrat aufgebracht werden. Dabei entstehen jedoch stets mehr oder weniger poröse Schichten, welche praktisch immer eine gewissen Gehalt an TiO2 aufweisen. Diese Oxyd­ häute verunmöglichen praktisch eine Weiterbehandlung auf chemischem Wege, um z.B. zu TiN zu gelangen. Daher ist der Erfolg einer derartigen Hochtemperatur-Verwendung von Titan - auch im Falle einer bloßen Zwischenschicht oder Grundlage für weitere Schichten - zumindest zweifelhaft.In principle, titanium can be applied to a substrate by flame spraying and plasma spraying. However, this always creates more or less porous layers, which practically always have a certain content of TiO 2 . These oxide skins make it practically impossible to further treat them chemically, for example to obtain TiN. Therefore, the success of such a high-temperature use of titanium - even in the case of a mere intermediate layer or the basis for further layers - is at least doubtful.

In Anbetracht der stetig steigenden mechanischen, thermischen und chemischen Beanspruchungen im Bereich der dem Gasstrom ausgesetzten Bauteile einer Gasturbine besteht ein grosses Bedürfnis, geeignete Werkstoffkombinationen weiter zu ent­ wickeln und neue Kombinationen zu suchen. Dies gilt insbe­ sondere für das weitläufige Gebiet von Schutzschichten mit erhöhtem Widerstand gegen Erosion, Korrosion und Oxydation insbesondere im oberen Temperaturbereich.In view of the steadily increasing mechanical, thermal and chemical stresses in the area of the gas flow exposed components of a gas turbine there is a large one Need to further develop suitable material combinations wrap and look for new combinations. This applies in particular especially for the extensive area of protective layers increased resistance to erosion, corrosion and oxidation especially in the upper temperature range.

Darstellung der ErfindungPresentation of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, auf einem Bauteil aus einer titanhaltigen Nickelbasis-Superlegierung eine Schicht mit mindestens 25 Gew.-% Titan durch Anreicherung in der Oberflächenzone zu erzeugen. Die Schicht soll mit dem Grund­ werkstoff ohne schroffe Uebergänge verbunden sein und im Betrieb nicht abblättern oder sich in ungünstiger Weise ver­ ändern. Die Schicht soll entweder als äussere Begrenzung mit vorteilhaften physikalischen Eigenschaften oder als Zwi­ schenschicht (Diffusionsperre) für hochbeanspruchte Bauteile thermischer Maschinen (Gasturbinenschaufeln) Verwendung finden können. Das Verfahren soll ferner unabhängig von der Geometrie des Bauteils auch für komplizierte Formen, insbesondere schwer zugängliche Hohlkörper ohne grossen Kostenaufwand anwendbar sein.The invention has for its object on a component a layer made of a titanium-containing nickel-based superalloy with at least 25 wt .-% titanium by enrichment in the To produce surface zone. The layer should be with the bottom  material without jagged transitions and in Do not flake off or unfavorably ver to change. The layer should either serve as an outer boundary with advantageous physical properties or as an intermediate layer (diffusion barrier) for highly stressed components thermal machines (gas turbine blades) are used can. The method should also be independent of the geometry of the component even for complicated shapes, especially difficult accessible hollow body applicable without great expense be.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass im eingangs erwähnten Verfahren das Bauteil einer Wärmebehandlung im Temperatur­ bereich zwischen 1100 und 1200°C während mindestens 1 h in einer Stickstoff enthaltenden Atmosphäre unter einem Druck von 0,1 bis 105 Pa unterworfen wird.This object is achieved in that the component is subjected to a heat treatment in the temperature range between 1100 and 1200 ° C for at least 1 h in a nitrogen-containing atmosphere under a pressure of 0.1 to 10 5 Pa in the aforementioned method.

Die Aufgabe wird ferner dadurch gelöst, dass die an Titan angereicherte Oberflächenzone als gegen Erosion und Verschleiss widerstandsfähige, nicht abplatzende, mit dem Grundwerkstoff fest verbundene, mindestens teilweise aus Titannitrid TiN bestehende Oberflächenschicht eines thermisch und mechanisch hochbeanspruchten Bauteils einer thermischen Maschine verwendet wird.The task is also solved in that the titanium enriched surface zone as against erosion and wear resistant, non-chipping, with the base material firmly connected, at least partially made of titanium nitride TiN existing surface layer of a thermally and mechanically highly stressed component of a thermal machine used becomes.

Ausserdem wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass die an Titan angereicherte Oberflächenzone als Grundlage zum Aufbringen einer gegen Hochtemperatur-Korrosion und -Oxydation widerstands­ fähigen, aus einer Cr, Al, Si, Y, Ta und Co enthaltenden Nickellegierung bestehenden Schutzschicht und als Sperrschicht gegen die Al-Diffusion aus besagter Schutzschicht ins Innere des Grundwerkstoffs sowie als Al-Reservoir für die besagte Schutzschicht im Betrieb eines mechanisch, thermisch und chemisch hochbeanspruchten Bauteils einer thermischen Maschine verwendet wird. In addition, the task is solved in that the titanium Enriched surface zone as the basis for application one resistant to high temperature corrosion and oxidation capable of containing Cr, Al, Si, Y, Ta and Co. Nickel alloy existing protective layer and as a barrier layer against Al diffusion from said protective layer inside of the base material and as an Al reservoir for the said Protective layer in the operation of a mechanical, thermal and chemically highly stressed component of a thermal machine is used.  

Weg zur Ausführung der ErfindungWay of carrying out the invention

Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden, durch Figuren näher erläuterten Ausführungsbeispiele beschrieben.The invention is illustrated by the following figures described exemplary embodiments.

Dabei zeigt:It shows:

Fig. 1 ein Diagramm des Titangehaltes in Funktion des Abstandes von der ideellen Oberfläche (hypothetisch) für ver­ schiedene Nickelbasis-Superlegierungen mit unterschied­ lichem Titangehalt, Fig. 1 is a diagram of the titanium content in function of the distance from the ideal surface (hypothetical) for ver different nickel-base superalloys with different Lichem titanium content,

Fig. 2 einen schematischen Querschnitt durch die oberflächen­ nahe Partie eines Bauteils mit in der Oberflächenzone angereichertem Titan, Fig. 2 shows a schematic cross section through the surfaces near portion of a component enriched in the surface zone of titanium,

Fig. 3 einen schematischen Querschnitt durch die oberflächen­ nahe Partie eines Bauteils mit einer an Titan ange­ reicherten Zone und einer Schutzschicht gegen Hoch­ temperatur-Korrosion und -Oxydation: Zustand am Anfang und in einer ersten Betriebsphase, Figure 3 is a schematic cross-section through the surfaces close match is a component having a titanium-enriched zone and a protective layer against high-temperature corrosion and -Oxydation. State at the beginning and in a first operating phase,

Fig. 4 einen schematischen Querschnitt durch die oberflächen­ nahe Partie eines Bauteils mit einer an Titan ange­ reicherten Zone und einer Schutzschicht gegen Hoch­ temperatur-Korrosion und -Oxydation: Zustand in einer späteren Betriebsphase, Figure 4 is a schematic cross-section through the surfaces close match is a component having a titanium-enriched zone and a protective layer against high-temperature corrosion and -Oxydation. State in a later phase of operation,

Fig. 5 eine perspektivische Darstellung in mehreren Schnitten des hohlen Schaufelblattes einer innengekühlten Gastur­ binenschaufel inklusive Düse für abrasives Strahlen. Fig. 5 is a perspective view in several sections of the hollow airfoil of an internally cooled gas turbine bucket including nozzle for abrasive blasting.

In Fig. 1 ist ein Diagramm dargestellt, welches den Titan­ gehalt in Funktion des Abstandes von der ideellen Oberfläche für verschiedene Nickelbasis-Superlegierungen als Grundwerk­ stoff mit unterschiedlichem Titangehalt zeigt. Die Kurven haben hypothetische Natur und zeigen lediglich die grund­ sätzliche, zu erwartende Titanverteilung. Die Werte können - je nach Versuchsbedingungen - davon abweichen. Auf der Abszisse ist der Abstand x in µm aufgetragen. Die Ordinate bezieht sich auf den totalen Ti-Gehalt in Gew.-%. Der grösste Teil des Titans ist in Form des Nitrids TiN vorhanden. Die Kurve 1 bezieht sich auf eine oxyddispersionsgehärtete Nickel­ basis-Superlegierung mit einem Ti-Gehalt von 2,5 Gew.-% als Grundwerkstoff, nachdem diese in Luft unter stark reduziertem Druck geglüht wurde. Die Kurve 2 gilt für eine Guss-Nickel­ superlegierung mit einem Ti-Gehalt von 3,4 Gew.-%, welche unter stark reduziertem Druck in Stickstoff geglüht wurde. Die Kurve 3 bezieht sich auf eine Guss-Nickelsuperlegierung mit einem Ti-Gehalt von 3,7 Gew.-%, welche unter Atmosphären­ druck in Stickstoff wärmebehandelt wurde. Die Kurve 4 gilt für eine Knet-Nickelsuperlegierung mit 2,5 Gew.-% Ti-Gehalt, die unter reduziertem Druck in Stickstoff geglüht wurde.In Fig. 1, a diagram is shown which shows the titanium content as a function of the distance from the ideal surface for different nickel-based superalloys as the base material with different titanium content. The curves are hypothetical in nature and only show the basic, expected titanium distribution. Depending on the test conditions , the values may differ. The distance x is plotted in µm on the abscissa. The ordinate refers to the total Ti content in% by weight. Most of the titanium is in the form of the nitride TiN. Curve 1 relates to an oxide dispersion-hardened nickel-base superalloy with a Ti content of 2.5% by weight as the base material after it has been annealed in air under greatly reduced pressure. Curve 2 applies to a cast nickel superalloy with a Ti content of 3.4% by weight, which was annealed in nitrogen under greatly reduced pressure. Curve 3 relates to a cast nickel super alloy with a Ti content of 3.7% by weight, which was heat-treated in nitrogen under atmospheric pressure. Curve 4 applies to a wrought nickel superalloy with 2.5 wt.% Ti content, which was annealed in nitrogen under reduced pressure.

Fig. 2 stellt einen schematischen Querschnitt durch die ober­ flächennahe Partie eines Bauteils aus einer Nickelbasis-Super­ legierung dar, welches eine an Titan angereicherte Oberflächen­ zone aufweist. 5 ist der Grundwerkstoff (Ni-Superlegierung), 6 die an Titan angereicherte Oberflächenzone, welche konti­ nuierlich, ohne sichtbare Grenzfläche in den Grundwerkstoff 5 übergeht. Als ideelle, nicht sichtbare Grenze 7 zwischen Grundwerkstoff 5 und an Titan angereicherter Zone 6 ist die strichpunktierte Linie eingezeichnet. Die Dicke der an Titan angereicherten Zone 6 ist mit "a" bezeichnet. "a" bewegt sich zwischen ca. 2 µm und 10 . . . 20 µm. Der Ausdruck p N 2 mit auf die Oberfläche gerichteter Pfeilspitze deutet den zur Durchführung des Verfahrens notwendigen Stickstoff-Partial­ druck an. Fig. 2 shows a schematic cross section through the near-surface part of a component made of a nickel-based super alloy, which has a titanium-enriched surface zone. 5 is the base material (Ni superalloy), 6 is the surface zone enriched in titanium, which continuously merges into the base material 5 without a visible interface. The dash-dotted line is drawn as the ideal, invisible boundary 7 between base material 5 and zone 6 enriched with titanium. The thickness of the zone 6 enriched in titanium is denoted by "a" . "a" ranges between approx. 2 µm and 10. . . 20 µm. The expression p N 2 with the arrowhead pointing at the surface indicates the nitrogen partial pressure required to carry out the process.

Fig. 3 zeigt einen schematischen Querschnitt durch die ober­ flächennahe Partie eines Bauteils aus einer Nickelbasis-Super­ legierung mit einer an Titan angereicherten Zone und einer Schutzschicht gegen Hochtemperatur-Korrosion und -Oxydation im Zustand am Anfang und in einer ersten Betriebsphase. 5 ist der Grundwerkstoff (Ni-Superlegierung), 6 die an Titan angereicherte Zone (im vorliegenden Fall als Zwischenschicht), welche ohne sichtbare Grenzfläche in den Grundwerkstoff 5 übergeht. 7 ist die ideelle Grenze zwischen Grundwerkstoff 5 und an Titan angereicherter Zone 6 mit der Dicke "a". 8 stellt eine gegen Korrosion und Oxydation bei hoher Temperatur widerstandsfähige Schutzschicht dar. Diese Schicht besteht aus einer die Elemente Cr, Al, Si, Y, Ta und Co enthaltenden Nickellegierung. 9 ist die zwecks guter Verankerung uneben ausgebildete Grenzfläche zwischen der an Titan angereicherten Zone 6 und der Schutzschicht 8. Die Unebenheit von 9 wird meist durch Sandstrahlen erzeugt. Die Dicke der Schutzschicht ist mit "d" bezeichnet und beträgt in der Regel 100 µm bis 250 µm. Die Figur zeigt den Zustand unmittelbar nach der Herstellung bzw. am Anfang des Betriebes (Erste Betriebs­ phase). Ein Teil des Aluminiums der Schicht 8 diffundiert in die Zone 6 ein (Konzentrationsgefälle), was durch den mit dem Symbol "Al" versehenen, abwärts gerichteten Pfeil angedeutet ist. Andererseits verhindert die Zone 6 die Wan­ derung des Aluminiums ins Innere des Grundwerkstoffs 5 hinein. Fig. 3 shows a schematic cross section through the near-surface part of a component made of a nickel-based super alloy with a titanium-enriched zone and a protective layer against high-temperature corrosion and oxidation in the state at the beginning and in a first operating phase. 5 is the base material (Ni superalloy), 6 the zone enriched in titanium (in the present case as an intermediate layer), which merges into the base material 5 without a visible interface. 7 is the ideal boundary between base material 5 and zone 6 enriched in titanium with the thickness "a" . 8 represents a protective layer resistant to corrosion and oxidation at high temperature. This layer consists of a nickel alloy containing the elements Cr, Al, Si, Y, Ta and Co. 9 is the interface which is unevenly formed for the purpose of good anchoring between the zone 6 enriched with titanium and the protective layer 8 . The unevenness of 9 is mostly created by sandblasting. The thickness of the protective layer is denoted by "d" and is usually 100 µm to 250 µm. The figure shows the state immediately after manufacture or at the start of operation (first operating phase). Part of the aluminum in layer 8 diffuses into zone 6 (concentration gradient), which is indicated by the downward-pointing arrow provided with the symbol "Al" . On the other hand, the zone 6 prevents the change of the aluminum into the interior of the base material 5 .

Fig. 4 stellt einen schematischen Querschnitt durch die ober­ flächennahe Partie eines Bauteils aus einer Nickelbasis-Super­ legierung mit einer an Titan angereicherten Zone und einer Schutzschicht gegen Hochtemperatur-Korrosion und -Oxydation im Zustand einer späteren Betriebsphase dar. Die einzelnen Schichten sowie die Bezugszeichen entsprechen denjenigen der Fig. 3. Zufolge der Verarmung (Verbrauch) an Aluminium der Schutzschicht 8 wandert das letztere nunmehr von der Zone 6 in diese zurück. Dies ist durch das Symbol "Al" und einen aufwärts gerichteten gestrichelten Pfeil angedeutet. Fig. 4 shows a schematic cross section through the near-surface part of a component made of a nickel-based superalloy with a zone enriched in titanium and a protective layer against high-temperature corrosion and oxidation in the state of a later operating phase. The individual layers and the reference numerals correspond those of Fig. 3. in consequence of the depletion (consumption) of aluminum the protective layer 8 moves the latter now from the zone 6 back into the latter. This is indicated by the symbol "Al" and an upward dashed arrow.

In Fig. 5 ist eine mit Schnitten versehene perspektivische Darstellung des hohlen Schaufelblattes einer innengekühlten Gasturbinenschaufel wiedergegeben. Ausserdem ist ein Ausschnitt (Längsschnitt) der Düse einer Vorrichtung für abrasives Strahlen in gleicher Weise dargestellt. 10 stellt ein hohles, innen­ gekühltes Schaufelblatt (Ausschnitt) einer Leit- oder Lauf­ schaufel einer thermisch und mechanisch hochbeanspruchten Gasturbine dar. 11 sind an der ganzen inneren Mantelfläche am Umfang verlaufende Rillen (nur teilweise gezeichnet), 12 sind entsprechende, dazwischenliegende Wulste (ebenfalls nur teilweise gezeichnet). 11 und 12 dienen zur Vergrösserung der Oberfläche, zur Verbesserung der Prallkühlung und zur konstruktiven Verbesserung (Verteilung, Materialersparnis) der Schaufel. 13 ist eine Düse und 14 ein Umlenkblech einer weiter nicht gezeichneten Vorrichtung für abrasives Strahlen der Innenfläche des Schaufelblattes 10. Der Strahl ist durch scharfkantige, abrasive Partikel 15 (nur im zentralen Teil des Strahls gezeichnet), seine Richtung durch strichpunktierte Linien und Pfeile angedeutet.In Fig. 5 is a perspective view of the sections provided with hollow airfoil an internally cooled gas turbine blade is shown. In addition, a section (longitudinal section) of the nozzle of a device for abrasive blasting is shown in the same way. 10 represents a hollow, internally cooled airfoil (detail) of a guide or rotor blade of a thermally and mechanically highly stressed gas turbine. 11 are circumferential grooves on the entire inner circumferential surface (only partially shown), 12 are corresponding beads in between (also only partially drawn). 11 and 12 serve to enlarge the surface, to improve the impact cooling and to improve the construction (distribution, material savings) of the blade. 13 is a nozzle and 14 is a baffle plate of a device, not shown, for abrasive blasting of the inner surface of the airfoil 10 . The beam is indicated by sharp-edged, abrasive particles 15 (only drawn in the central part of the beam), and its direction is indicated by dash-dotted lines and arrows.

Ausführungsbeispiel 1Embodiment 1 Siehe Fig. 1, 2, 5See Figs. 1, 2, 5

Eine thermisch hochbeanspruchte Leitschaufel einer Gasturbine wurde in der nachfolgenden Weise behandelt. Das Schaufelblatt 10 war hohl, wies im Innern Rillen 11 und Wulste 12 (Rippen) auf und bestand aus einer oxyddispersionsgehärteten Nickel­ basis-Superlegierung mit der Handelsbezeichnung MA 6000 von INCO im zonengeglühten rekristallisierten grobkörnigen Zustand (längsgerichtete Stengelkristalle). Der Grundwerkstoff 5 hatte folgende Zusammensetzung:A thermally highly stressed vane of a gas turbine was treated in the following manner. The airfoil 10 was hollow, had grooves 11 and beads 12 (ribs) on the inside and consisted of an oxide dispersion-hardened nickel-base superalloy with the trade name MA 6000 from INCO in the zone-annealed, recrystallized, coarse-grained state (longitudinally oriented stem crystals). The base material 5 had the following composition:

Cr= 15 Gew.-% W=  4,0 Gew.-% Mo=  2,0 Gew.-% Al=  4,5 Gew.-% Ti=  2,5 Gew.-% Ta=  2,0 Gew.-% C=  0,05 Gew.-% B=  0,01 Gew.-% Zr=  0,15 Gew.-% Y₂O₃=  1,1 Gew.-% Ni= RestCr = 15% by weight W = 4.0% by weight Mo = 2.0% by weight Al = 4.5% by weight Ti = 2.5% by weight Ta = 2.0% by weight C = 0.05% by weight B = 0.01% by weight  Zr = 0.15% by weight Y₂O₃ = 1.1% by weight Ni = rest

Das Schaufelblatt 10 mit Tragflügelprofil hatte folgende Außenabmessungen:The airfoil 10 with the wing profile had the following external dimensions:

Totale Länge= 190 mm Größte Breite=  82 mm Größte Dicke=  24 mm Profilhöhe=  30 mm Mittlere Wandstärke=   3 mmTotal length = 190 mm Largest width = 82 mm Greatest thickness = 24 mm Profile height = 30 mm Average wall thickness = 3 mm

Das aus vollem prismatischem Halbzeug herausgearbeitete Schaufel­ profil wurde zwecks Erhöhung der Oberfläche und Verbesserung der Kühlung auf seiner Innenseite nach dem Verfahren des Elektroerodierens derart bearbeitet, dass eine ganze Anzahl von am Umfang rundherum verlaufenden Rillen 11 und Wulste 12 gebildet wurde.The machined from full prismatic semi-finished blade profile was processed in order to increase the surface and improve the cooling on its inside by the method of electro-erosion in such a way that a whole number of circumferential grooves 11 and beads 12 was formed.

Durch dieses Verfahren wird die ca. 10 µm messende unmittel­ bare Oberflächenzone stark gestört (Kristallgitter) und muss abgetragen werden. Dies erfolgte durch abrasives Sandstrahlen des Schaufelinnern mit scharfkantigen Partikeln 15 mittels der Düse 13 und dem Umlenkblech 14. Das Aeussere des Schaufel­ blattes 10 wurde durch herkömmliches Schleifen bearbeitet. Es wurde darauf geachtet, dass die Oberflächenrauhigkeit sowohl innen wie aussen niedrig (ca. 2 bis 4 µm) ausfiel. Die Schaufel wurde nun in eine abgeschlossene Kammer mit Luft von reduziertem Druck (schlechtes "Vakuum") gebracht und erwärmt. Die Wärmebehandlung erfolgte unter einem Druck von 0,5 Pa bei einer Temperatur von 1200°C während der Dauer von 1 h. Nach der Abkühlung im Ofen wurde die Schaufel unter­ sucht. Auf ihrer Oberfläche hatte sich eine dünne, sehr harte, goldglänzende Schicht von TiN gebildet. Die Untersuchung mit der Mikrosonde ergab eine beträchtliche Anreicherung des Titans in der Oberflächenzone. Die Konzentration hatte ungefähr den Verlauf von Kurve 1 in Fig. 1 (hypothetisch). Die Dicke der stark angereicherten Oberflächenzone betrug sowohl an der äusseren wie an der inneren Oberfläche der Schaufel durchschnittlich 2 µm und war sehr gleichmässig. Die gesamte angereicherte Zone hatte eine Tiefe von ca. 4 µm. Die Oberflächenzone wies eine Höhe von über 1000 HV (Vickers) auf und bestand überwiegend aus TiN.This method severely disturbs the approx. 10 µm immediate surface zone (crystal lattice) and has to be removed. This was done by abrasive sandblasting of the blade interior with sharp-edged particles 15 by means of the nozzle 13 and the deflection plate 14 . The exterior of the airfoil 10 was machined by conventional grinding. Care was taken to ensure that the surface roughness was low (approx. 2 to 4 µm) both inside and outside. The blade was then placed in a closed chamber with air of reduced pressure (poor "vacuum") and heated. The heat treatment was carried out under a pressure of 0.5 Pa at a temperature of 1200 ° C. for 1 hour. After cooling in the oven, the shovel was examined. A thin, very hard, shiny gold layer of TiN had formed on its surface. The examination with the microsensor showed a considerable accumulation of the titanium in the surface zone. The concentration had approximately the course of curve 1 in FIG. 1 (hypothetically). The thickness of the highly enriched surface zone averaged 2 µm on both the outer and the inner surface of the blade and was very uniform. The entire enriched zone was about 4 µm deep. The surface zone had a height of over 1000 HV (Vickers) and consisted mainly of TiN.

Die harte Oberflächenzone 6 ging ohne sichtbare Grenze in den Grundwerkstoff 5 über, haftete vorzüglich auf letzterem, war thermoschockunempfindlich und platzte nicht ab. Sie konnte direkt als Anti-Erosionsschicht Verwendung finden. Dies ist besonders im Hinblick auf die Schaufelinnenkühlung von grosser Bedeutung, da mit Verschleiss verursachenden Partikeln in Anbetracht der nicht genügend gereinigten Kühlluft in manchen Gegenden gerechnet werden muss.The hard surface zone 6 merged into the base material 5 without a visible border, adhered excellently to the latter, was insensitive to thermal shock and did not flake off. It could be used directly as an anti-erosion layer. This is of particular importance with regard to the internal cooling of the blade, since wear-causing particles must be expected in some areas in view of the insufficiently cleaned cooling air.

Ausführungsbeispiel 2Embodiment 2 Siehe Fig. 1, 2, 5See Figs. 1, 2, 5

Aus einer Guss-Nickelbasis-Superlegierung mit dem Handels­ namen IN 738 von INCO wurde eine hochbeanspruchte, innen­ gekühlte Laufschaufel für eine Gasturbine hergestellt. Der Grundwerkstoff 5 hatte die nachfolgende Zusammensetzung:A highly stressed, internally cooled rotor blade for a gas turbine was manufactured from a cast nickel-based superalloy with the trade name IN 738 from INCO. The base material 5 had the following composition:

Cr= 16,0 Gew.-% Co=  8,5 Gew.-% Mo=  1,75 Gew.-% W=  2,6 Gew.-% Ta=  1,75 Gew.-% Nb=  0,9 Gew.-% Al=  3,4 Gew.-% Ti=  3,4 Gew.-% Zr=  0,1 Gew.-% B=  0,01 Gew.-% C=  0,11 Gew.-% Ni= RestCr = 16.0% by weight Co = 8.5% by weight Mo = 1.75% by weight W = 2.6% by weight Ta = 1.75% by weight Nb = 0.9% by weight Al = 3.4% by weight Ti = 3.4% by weight Zr = 0.1% by weight B = 0.01% by weight C = 0.11% by weight Ni = rest

Das Schaufelblatt 10 wies ein Tragflügelprofil mit folgenden Aussenabmessungen auf:The airfoil 10 had an airfoil profile with the following external dimensions:

Totale Länge= 200 mm Größte Breite=  90 mm Größte Dicke=  23 mm Profilhöhe=  28 mm Mittlere Wandstärke=   3,5 mmTotal length = 200 mm Largest width = 90 mm Greatest thickness = 23 mm Profile height = 28 mm Average wall thickness = 3.5 mm

Die Turbinenschaufel wurde aus einem Stück nach dem Präzisions- Giessverfahren mit sämtlichen im Inneren des Schaufelblattes 10 angeordneten Rillen 11 und Wulsten 12 hergestellt. Um eine für die Weiterbehandlung geeignete saubere Oberflächenzone zu haben, wurde die Schaufel gereinigt und dann chemisch geäzt.The turbine blade was produced in one piece by the precision casting method with all the grooves 11 and beads 12 arranged in the interior of the blade 10 . In order to have a clean surface zone suitable for further treatment, the blade was cleaned and then chemically etched.

Dann wurde die Schaufel während 2 h einer Stickstoffatmos­ phäre bei einer Temperatur von 1100°C unter einem Druck von 10 Pa ausgesetzt. Dabei wanderte das Titan aus dem Innern des Grundwerkstoffs 5 nach aussen und reicherte sich in der Oberflächenzone 6 an. Nach dem Abkühlen des Werkstücks konnte auf dessen Oberfläche eine intensive goldgelbe Farbe fest­ gestellt werden. Die Untersuchung ergab einen Ti-Verlauf ungefähr gemäss Kurve 2 in Fig. 1 (hypothetisch). Die Dicke der an Ti angereicherten Zone 6 betrug ca. 4 µm (hohe Konzen­ tration) bzw. 8 µm (niedrige Konzentration). Der überwiegende Teil des Titans lag an Stickstoff gebunden als TiN vor. Für die Verwendung der an Titan angereicherten Zone 6 als Oberflächenschicht mit hohem Widerstand gegen Erosion und Abnutzung gilt das unter Beispiel 1 Gesagte.Then the blade was exposed to a nitrogen atmosphere at a temperature of 1100 ° C under a pressure of 10 Pa for 2 h. The titanium migrated from the inside of the base material 5 to the outside and accumulated in the surface zone 6 . After the workpiece had cooled, an intense golden yellow color could be determined on its surface. The investigation showed a Ti curve approximately according to curve 2 in FIG. 1 (hypothetically). The thickness of zone 6 enriched with Ti was approximately 4 μm (high concentration) or 8 μm (low concentration). The majority of the titanium was bound to nitrogen as TiN. For the use of zone 6 enriched in titanium as a surface layer with high resistance to erosion and wear, the statements made under example 1 apply.

Ausführungsbeispiel 3Embodiment 3 Siehe Fig. 1, 2, 3, 4, 5See Fig. 1, 2, 3, 4, 5

Es wurde eine thermisch hochbeanspruchte Leitschaufel für eine Gasturbine hergestellt, welche ein innengekühltes hohles Schaufelblatt 10 aufwies. Dazu wurde eine Guss-Nickelbasis­ Superlegierung mit der Handelsbezeichnung IN 939 von INCO mit folgender Zusammensetzung verwendet:A thermally highly stressed guide blade for a gas turbine was produced, which had an internally cooled hollow blade 10 . A cast nickel-based superalloy with the trade name IN 939 from INCO with the following composition was used:

Cr= 22,4 Gew.-% Co= 19,0 Gew.-% Ta=  1,4 Gew.-% Nb=  1,0 Gew.-% Al=  1,9 Gew.-% Ti=  3,7 Gew.-% Zr=  0,1 Gew.-% C=  0,15 Gew.-% Ni= RestCr = 22.4% by weight Co = 19.0% by weight Ta = 1.4% by weight Nb = 1.0% by weight Al = 1.9% by weight Ti = 3.7% by weight Zr = 0.1% by weight C = 0.15% by weight Ni = rest

Das Schaufelblatt 10 mit Tragflügelprofil hatte folgende Außenabmessungen:The airfoil 10 with the wing profile had the following external dimensions:

Totale Länge= 170 mm Größte Breite=  70 mm Größte Dicke=  20 mm Profilhöhe=  26 mm Mittlere Wandstärke=   3 mmTotal length = 170 mm Largest width = 70 mm Greatest thickness = 20 mm Profile height = 26 mm Average wall thickness = 3 mm

Die Turbinenschaufel wurde als Präzisions-Gussstück mit Rillen 11 und Wulsten 12 im Innern des Schaufelblattes hergestellt. die roh gegossene Schaufel wurde aussen und innen durch Sand­ strahlen mit scharfkantigen Partikeln 15 bearbeitet, um für die Erzeugung der nachfolgenden Schichten günstige Voraus­ setzungen zu schaffen. Dabei wurde darauf geachtet, dass das Innere, welches lediglich eine antierosive Oberflächen­ zone aufweisen sollte, möglichst glatt ausfiel. Demgegenüber war auf der aussenliegenden Mantelfläche des Schaufelblattes 10 eine gewisse minimale Rauhigkeit (ca. 5-10 µm) wünschens­ wert, um bessere Haftverhältnisse für die zusätzlich aufzu­ bringende Schutzschicht mit hohem Korrosions- und Oxydations- Widerstand zu gewährleisten. Die ganze Schaufel wurde gereinigt und chemisch geätzt.The turbine blade was manufactured as a precision casting with grooves 11 and beads 12 in the interior of the blade. The raw cast blade was processed outside and inside by sandblasting with sharp-edged particles 15 in order to create favorable conditions for the production of the subsequent layers. Care was taken to ensure that the interior, which should only have an anti-erosive surface zone, was as smooth as possible. In contrast, a certain minimum roughness (approx. 5-10 μm) was desirable on the outer lateral surface of the airfoil 10 , in order to ensure better adhesion conditions for the additional protective layer to be applied, with high corrosion and oxidation resistance. The entire blade was cleaned and chemically etched.

Die Schaufel wurde nun während 3 h bei 1150°C in einer Stick­ stoffatmosphäre unter einem Druck von 105 Pa (ungefähr 1 bar) geglüht. Dabei wurde sowohl auf der Mantelfläche wie im Innern eine vergleichsweise dickere, an Titan angereicherte Zone 6 von total ca. 15 µm Tiefe (hohe Anreicherung bis ca. 10 µm Tiefe) ungefähr gemäss Konzentrationsverlauf nach Kurve 3 (Fig. 1) gebildet.The blade was then annealed for 3 hours at 1150 ° C. in a nitrogen atmosphere under a pressure of 10 5 Pa (approximately 1 bar). A comparatively thicker, titanium-enriched zone 6 of a total of approx. 15 µm depth (high enrichment to approx. 10 µm depth) was formed both on the lateral surface and inside, approximately in accordance with the concentration curve according to curve 3 ( FIG. 1).

Die gegen 1100 HV (Vickers) aufweisende harte Oberflächen­ zone 6 der Innenseite (Kühlkanal) des Schaufelblattes 10 wurde direkt als Schicht gegen Festkörpererosion verwendet. Die entsprechende aussenliegende Zone 6 dagegen diente als Grundlage (Zwischenschicht) für das Aufbringen einer Schutz­ schicht 8 gegen Korrosion und Oxydation bei hohen Tempera­ turen. Für diese Schutzschicht 8 wurde eine Nickellegierung des Typs Ni/Cr/Al/Si/Y/Ta/Co mit folgender Zusammensetzung verwendet:The hard surface zone 6 of 1100 HV (Vickers) on the inside (cooling channel) of the airfoil 10 was used directly as a layer against solid erosion. The corresponding outer zone 6, however, served as the basis (intermediate layer) for the application of a protective layer 8 against corrosion and oxidation at high temperatures. A nickel alloy of the Ni / Cr / Al / Si / Y / Ta / Co type with the following composition was used for this protective layer 8 :

Cr= 23 Gew.-% Al=  9,5 Gew.-% Si=  2,5 Gew.-% Y=  0,5 Gew.-% Ta=  1,0 Gew.-% Co= 10,0 Gew.-% Ni= RestCr = 23% by weight Al = 9.5% by weight Si = 2.5% by weight Y = 0.5% by weight Ta = 1.0% by weight Co = 10.0% by weight Ni = rest

Die Schutzschicht 8 wurde durch Vakuum-Plasmaspritzen in einer Dicke von ca. 100 µm auf die äussere Mantelfläche des Schaufelblattes 10 aufgebracht. Die Zone 6 wirkt im vorlie­ genden Fall dank ihres hohen Titangehaltes als Diffusions­ barriere gegen ein Abwandern des Aluminiums aus der Schutz­ schicht 8 nach dem Innern in den Grundwerkstoff 5 hinein. Gleichzeitig dient sie im Verlauf des Betriebes als Reservoir für das Aluminium. Letzteres diffundiert z.T. in der ersten Betriebsphase langsam in die Zone 6 ein, wo es unter anderem mit dem Titan die intermetallischen Verbindungen TiAl und Ti3Al bildet. Dieser Vorgang kann auch teilweise vor der Inbetriebsetzung durch eine zusätzliche Wärmebehandlung der Schaufel zumindest eingeleitet werden.The protective layer 8 was applied to the outer lateral surface of the airfoil 10 by vacuum plasma spraying in a thickness of approximately 100 μm. Zone 6 acts in the vorlie case thanks to its high titanium content as a diffusion barrier against migration of the aluminum from the protective layer 8 towards the inside into the base material 5 . At the same time, it serves as a reservoir for the aluminum during operation. The latter diffuses slowly into zone 6 in the first operating phase, where it forms inter alia with the titanium the intermetallic compounds TiAl and Ti 3 Al. This process can also be at least partially initiated before commissioning by an additional heat treatment of the blade.

In einer späteren Betriebsphase - wenn die Schutzschicht 8 an Aluminium verarmt ist - zerfallen die intermetallischen Verbindungen wieder und das Aluminium wandert von der Zone 6 in die Schicht 8 zurück. Um die zusätzliche Funktion des Reservoirs ausüben zu können, sollte daher die Zone 6 eine gewisse minimale Dicke haben, einen möglichst hohen Ti-Gehalt aufweisen, wovon ein möglichst grosser Anteil in metallischer Form vorliegen sollte. Die Prozesse sind daher in dieser Richtung zu optimieren.In a later operating phase - when protective layer 8 is depleted of aluminum - the intermetallic compounds disintegrate again and the aluminum migrates from zone 6 back to layer 8 . In order to be able to perform the additional function of the reservoir, zone 6 should therefore have a certain minimum thickness and a high Ti content, the largest possible proportion of which should be in metallic form. The processes must therefore be optimized in this direction.

Ausführungsbeispiel 4Embodiment 4 Siehe Fig. 1, 3, 4See Figs. 1, 3, 4

Aus einer Knet-Nickelbasis-Superlegierung mit dem Handels­ namen Nimonic 80A wurde eine Laufschaufel für eine Gasturbine hergestellt. Der Grundwerkstoff 5 hatte die nachfolgende Zusammensetzung:A blade for a gas turbine was produced from a wrought nickel-based superalloy with the trade name Nimonic 80A. The base material 5 had the following composition:

Cr= 19,5 Gew.-% Al=  1,4 Gew.-% Ti=  2,4 Gew.-% Zr=  0,06 Gew.-% Mn=  0,30 Gew.-% Si=  0,30 Gew.-% B=  0,003 Gew.-% C=  0,06 Gew.-% Ni= RestCr = 19.5% by weight Al = 1.4% by weight Ti = 2.4% by weight Zr = 0.06% by weight Mn = 0.30% by weight Si = 0.30% by weight B = 0.003% by weight C = 0.06% by weight Ni = rest

Das ohne Kühlkanäle ausgeführte Vollschaufelblatt wies folgende Abmessungen auf:The full airfoil designed without cooling channels showed the following Dimensions on:

Totale Länge= 175 mm Größte Breite=  92 mm Größte Dicke=  23 mm Profilhöhe=  29 mmTotal length = 175 mm Largest width = 92 mm Greatest thickness = 23 mm Profile height = 29 mm

Die Turbinenschaufel wurde vorgeschmiedet und durch mechanische Bearbeitung in die endgültige Form gebracht. Hierauf wurde ihre Oberfläche durch abrasives Sandstrahlen aufgerauht (Ober­ flächenrauhigkeit ca. 10 µm), um die Haftung für die später aufzubringende Schutzschicht zu verbessern. Es folgte ein chemisches Blankätzen der Oberfläche.The turbine blade was pre-forged and by mechanical Editing brought into the final form. Thereupon was their surface roughened by abrasive sandblasting (upper surface roughness approx. 10 µm) to ensure liability for the later to improve the protective layer to be applied. It followed chemical etching of the surface.

Nun wurde die Schaufel während 6 h einer Stickstoffatmos­ phäre bei einer Temperatur von 1100 °C und einem Druck von 1000 Pa ausgesetzt. Die an Titan angereicherte Zone 6 erreichte dabei eine Tiefe von ca. 10 µm (Dicke des Teils mit hoher Anreicherung ca. 6 µm) und eine Härte von ca. 1050 HV (Vickers). Der Verlauf der Zusammensetzung entsprach ungefähr der Kurve 4 (Fig. 1).The blade was then exposed to a nitrogen atmosphere at a temperature of 1100 ° C. and a pressure of 1000 Pa for 6 h. Zone 6 enriched with titanium reached a depth of approx. 10 µm (thickness of the part with high accumulation approx. 6 µm) and a hardness of approx. 1050 HV (Vickers). The course of the composition roughly corresponded to curve 4 ( FIG. 1).

Die Zone 6 wurde als Grundlage für das Aufbringen einer Schutz­ schicht 8 gegen Korrosion und Oxydation benutzt. Die Schutz­ schicht 8 des Typs Ni/Cr/Al/Si/Y/Ta/Co hatte folgende Zu­ sammensetzung:Zone 6 was used as the basis for the application of a protective layer 8 against corrosion and oxidation. The protective layer 8 of the Ni / Cr / Al / Si / Y / Ta / Co type had the following composition:

Cr= 20,5 Gew.-% Al= 11,5 Gew.-% Si=  2,5 Gew.-% Y=  0,5 Gew.-% Ta=  1,0 Gew.-% Co= 12,0 Gew.-% Ni= RestCr = 20.5% by weight Al = 11.5% by weight Si = 2.5% by weight Y = 0.5% by weight Ta = 1.0% by weight Co = 12.0% by weight Ni = rest

Das Aufbringen der Schutzschicht 8 in einer Dicke von 200 µm auf die Mantelfläche des Schaufelblattes erfolgte nach dem Vakuum-Plasmaspritzverfahren. Im übrigen gilt das unter Bei­ spiel 3 über diese Schutzschicht Gesagte.The protective layer 8 was applied in a thickness of 200 μm to the outer surface of the airfoil by the vacuum plasma spraying method. Otherwise, the statements made in Example 3 about this protective layer apply.

Die Erfindung ist nicht auf die Ausführungsbeispiele beschränkt. Nach dem vorliegenden Verfahren kann die unmittelbare Ober­ flächenzone 6 irgend eines Bauteils aus einer mindestens 2,0 Gew.-% Titan enthaltenden Nickelbasis-Superlegierung auf einen durchschnittlichen Gehalt von mindestens 25 Gew.-% Titan bis zu einer Tiefe von mindestens 2 µm bei einer ge­ samten Tiefe der angereicherten Oberflächenzone 6 von minde­ stens 4 µm angereichert werden. Die dazu vorgeschlagene Wärme­ behandlung erfolgt im Temperaturbereich zwischen 1100 und 1200°C während mindestens 1 h in einer Stickstoff enthaltenden Atmosphäre unter einem Druck von 0 bis 105 Pa. Eine obere Grenze der Einwirkungsdauer ist nicht durch technische sondern lediglich durch wirtschaftliche Gesichtspunkte bedingt, wes­ halb sie sich im Anspruch erübrigt. Die Atmosphäre besteht aus technisch reinem Stickstoff oder aus Luft, wobei auf den Partialdruck des Stickstoffs geachtet werden muss. Die Oberflächenzone 6 wird vorteilhafterweise zuvor durch mecha­ nische Bearbeitung oder chemische Behandlung von Oxydschichten und/oder gestörten Gefügezonen befreit.The invention is not restricted to the exemplary embodiments. According to the present method, the immediate surface zone 6 of any component made of a nickel-base superalloy containing at least 2.0% by weight of titanium can have an average content of at least 25% by weight of titanium to a depth of at least 2 μm total depth of the enriched surface zone 6 of at least 4 µm can be enriched. The proposed heat treatment takes place in the temperature range between 1100 and 1200 ° C for at least 1 h in an atmosphere containing nitrogen under a pressure of 0 to 10 5 Pa. An upper limit of the duration of exposure is not due to technical, but only due to economic considerations, which is why it is unnecessary in the claim. The atmosphere consists of technically pure nitrogen or air, whereby attention must be paid to the partial pressure of nitrogen. The surface zone 6 is advantageously freed beforehand by mechanical processing or chemical treatment of oxide layers and / or disturbed structural zones.

Vorzugsweise besteht der Grundwerkstoff 5 des Bauteils aus einer oxyddispersionsgehärteten Nickelbasis-Superlegierung mit 15-20 Gew.-% Cr, 4,5-6 Gew.-% Al, 2 Gew.-% Mo, 3,5- 4 Gew.-% W, 2,5 Gew.-% Ti, 0-2 Gew.-% Ta, 0,15-0,19 Gew.-% Zr, 0,01-0,05 Gew.-% C, 0,01 Gew.-% B, 1,1 Gew.-% Y2O3, Rest Ni.The base material 5 of the component preferably consists of an oxide dispersion-hardened nickel-based superalloy with 15-20% by weight Cr, 4.5-6% by weight Al, 2% by weight Mo, 3.5-4% by weight W, 2.5 wt% Ti, 0-2 wt% Ta, 0.15-0.19 wt% Zr, 0.01-0.05 wt% C, 0.01 wt % B, 1.1% by weight Y 2 O 3 , balance Ni.

Die gemäss Verfahren angereicherte Oberflächenzone 6 findet Verwendung als erosions- und verschleissfeste, mit dem Grund­ werkstoff 5 fest verbundene, nicht abplatzende, mindestens teilweise aus TiN bestehende Oberflächenschicht, insbesondere als innenliegende Schicht bei hohlen Schaufeln, oder als Grundlage zum Aufbringen einer Hochtemperatur-Antikorrosions/ Antioxydations-Schicht 8, wobei sie als Diffusionssperre und als Reservoir für Aluminium wirkt. Die Schutzschicht 8 gegen Korrosion und Oxydation besteht vorzugsweise aus einer Legierung mit 20,5-23 Gew.-% Cr, 9,5-11,5 Gew.-% Al, 2,5 Gew.-% Si, 0,5 Gew.-% Y, 1 Gew.-% Ta, 10-12 Gew.-% Co, Rest Ni.The surface zone 6 enriched according to the method is used as an erosion-resistant and wear-resistant, non-flaking surface layer which is firmly bonded to the base material 5 and at least partially consists of TiN, in particular as an inner layer in the case of hollow blades, or as a basis for applying high-temperature anti-corrosion / Antioxidation layer 8 , where it acts as a diffusion barrier and as a reservoir for aluminum. The protective layer 8 against corrosion and oxidation preferably consists of an alloy with 20.5-23% by weight Cr, 9.5-11.5% by weight Al, 2.5% by weight Si, 0.5% by weight % Y, 1% by weight Ta, 10-12% by weight Co, balance Ni.

Claims (9)

1. Verfahren zur Anreicherung von Titan in der unmittelbaren Oberflächenzone (6) eines Bauteils aus einer mindestens 2,0 Gew.-% Titan enthaltenden Nickelbasis-Superlegierung auf einen durchschnittlichen Gehalt von mindestens 25 Gew.-% bis zu einer Tiefe von mindestens 2 µm bei einer gesamten Tiefe (a) der angereicherten Oberflächenzone (6) von mindestens 4 µm, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil einer Wärmebehandlung im Temperaturbereich zwischen 1100 und 1200°C während mindestens 1 h in einer Stickstoff enthaltenden Atmosphäre unter einem Druck von 0,1 bis 105 Pa unterworfen wird.1. A method for enriching titanium in the immediate surface zone ( 6 ) of a component made of a nickel-based superalloy containing at least 2.0% by weight of titanium to an average content of at least 25% by weight to a depth of at least 2 μm at a total depth ( a ) of the enriched surface zone ( 6 ) of at least 4 µm, characterized in that the component undergoes a heat treatment in the temperature range between 1100 and 1200 ° C for at least 1 h in an atmosphere containing nitrogen under a pressure of 0.1 is subjected to 10 5 Pa. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stickstoff enthaltende Atmosphäre aus technisch reinem Stickstoff besteht.2. The method according to claim 1, characterized in that the nitrogen-containing atmosphere from technically pure Nitrogen exists. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stickstoff enthaltende Atmosphäre aus Luft besteht und einen Druck von 0,1 bis 10 Pa aufweist.3. The method according to claim 1, characterized in that the nitrogen-containing atmosphere consists of air and has a pressure of 0.1 to 10 Pa. 4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenzone (6) des Bauteils vor der Wärmebehandlung durch mechanische Bearbeitung oder chemische Behandlung von Oxydschichten und/oder gestörten Gefügezonen befreit wird.4. The method according to claim 1, characterized in that the surface zone ( 6 ) of the component before the heat treatment by mechanical processing or chemical treatment of oxide layers and / or disturbed structure zones is freed. 5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, das das Bauteil aus einer oxyddispersionsgehärteten Nickelbasis- Superlegierung mit 15-20 Gew.-% Cr, 4,5-6 Gew.-% Al, 2 Gew.-% Mo, 3,5-4 Gew.-% W, 2,5 Gew.-% Ti, 0-2 Gew.-% Ta, 0,15-0,19 Gew.-% Zr, 0,01-0,05 Gew.-% C, 0,01 Gew.-% B, 1,1 Gew.-% Y2O3, Rest Ni besteht. 5. The method according to claim 1, characterized in that the component made of an oxide dispersion hardened nickel-base superalloy with 15-20 wt .-% Cr, 4.5-6 wt .-% Al, 2 wt .-% Mo, 3.5 -4 wt% W, 2.5 wt% Ti, 0-2 wt% Ta, 0.15-0.19 wt% Zr, 0.01-0.05 wt% C, 0.01% by weight B, 1.1% by weight Y 2 O 3 , balance Ni. 6. Verwendung der an Titan gemäss Verfahren nach einem der vorangegangen Ansprüche angereicherten Oberflächenzone (6) als gegen Erosion und Verschleiss widerstandsfähigen, nicht abplatzenden, mit dem Grundwerkstoff (5) fest verbun­ denen, mindestens teilweise aus Titannitrid TiN beste­ henden Oberflächenschicht eines thermisch und mechanisch hochbeanspruchten Bauteils einer thermischen Maschine.6. Use of the surface zone ( 6 ) enriched in titanium according to the method according to one of the preceding claims as resistant to erosion and wear, non-flaking, firmly bonded to the base material ( 5 ), the at least partially consisting of titanium nitride TiN surface layer of a thermally and mechanically highly stressed component of a thermal machine. 7. Verwendung gemäss Anspruch 6 als innenliegende verschleiss­ feste Schutzschicht einer mit Kühlkanälen ausgestatteten hohlen Gasturbinenschaufel.7. Use according to claim 6 as internal wear solid protective layer of one equipped with cooling channels hollow gas turbine blade. 8. Verwendung der an Titan gemäss Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5 angereicherten Oberflächenzone (6) als Grundlage zum Aufbringen einer gegen Hochtemperatur-Kor­ rosion und -Oxydation widerstandsfähigen, aus einer Cr, Al, Si, Y, Ta und Co enthaltenden Nickellegierung beste­ henden Schutzschicht (8) und als Sperrschicht gegen die Al-Diffusion aus besagter Schutzschicht (8) ins Innere des Grundwerkstoffs (5) sowie als Al-Reservoir für die besagte Schutzschicht (8) im Betrieb eines mechanisch, thermisch und chemisch hochbeanspruchten Bauteils einer thermischen Maschine.8. Use of the surface zone ( 6 ) enriched in titanium according to the method according to one of claims 1 to 5 as a basis for applying a high-temperature corrosion and oxidation resistant, containing a Cr, Al, Si, Y, Ta and Co containing nickel alloy existing protective layer ( 8 ) and as a barrier layer against Al diffusion from said protective layer ( 8 ) into the interior of the base material ( 5 ) and as an Al reservoir for said protective layer ( 8 ) in the operation of a mechanically, thermally and chemically highly stressed component thermal machine. 9. Verwendung gemäss Anspruch 8 als innen und/oder aussen­ liegende Zwischenschicht einer mit Kühlkanälen ausgestat­ teten hohlen Gasturbinenschaufel, deren äussere Schutz­ schicht (8) aus einer Legierung mit 20,5-23 Gew.-% Cr, 9,5-11,5 Gew.-% Al, 2,5 Gew.-% Si, 0,5 Gew.-% Y, 1 Gew.-% Ta, 10-12 Gew.-% Co, Rest Ni besteht.9. Use according to claim 8 as an inner and / or outer intermediate layer of a hollow gas turbine blade equipped with cooling channels, the outer protective layer ( 8 ) of an alloy with 20.5-23% by weight Cr, 9.5-11, 5% by weight Al, 2.5% by weight Si, 0.5% by weight Y, 1% by weight Ta, 10-12% by weight Co, balance Ni.
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