Hochtemperatur-Schutzschicht

Beschreibung

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf eine Hochtemperatur-Schutzschicht gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

[0002] Solche Hochtemperatur-Schutzschichten kommen vor allem dort zur Anwendung, wo das Grundmaterial von Bauelementen aus warmfesten Stählen und/oder Legierungen, die bei Temperaturen über 600 °C verwendet werden, zu schützen ist. Durch diese Hochtemperatur-Schutzschichten soll die Wirkung von Hochtemperaturkorrosionen vor allem von Schwefel, Ölaschen, Sauerstoff, Erdalkalien und Vanadi-um verlangsamt werden. Die Hochtemperatur-Schutzschichten werden direkt auf das Grundmaterial des Bauelementes aufgetragen. Bei Bauelementen von Gasturbinen sind Hochtemperatur-Schutzschichten von besonderer Bedeutung. Sie werden vor allem auf Lauf- und Leitschaufelen sowie auf Wärmestausegmente 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-Superlegierungen als Grundmaterial zur Anwendung.

[0003] Bis jetzt ist es üblich, Bauelemente, die für Gasturbinen vorgesehen sind, durch eine Hochtemperatur-Schutzschicht zu schützen, die durch eine Legierung gebildet wird, welche M-Cr-Al-Y als Basiswerkstoff aufweist. M steht hierbei stellvertretend für Ni,NiCo,Co, Fe. Die aufgetragene Hochtemperatur-Schutzschicht weist eine Matrix auf in die eine aluminiumhaltige Phase eingelagert ist. Wird ein Bauelement, das mit einer solchen Hochtemperatur-Schutzschicht versehen ist, einer Betriebstemperatur von mehr als 950 ^OC ausgesetzt, so beginnt das in der Phase enthaltene Aluminium an die Oberfläche zu difundieren, wo es zur Ausbildung einer AL₂0₃-Deckschicht kommt. Von Nachteil ist hierbei, daß diese Deckschicht keine besonders gute Haftung aufweist und deshalb durch die Einwirkung von Korrosionen abgetragen wird. Im Laufe der Zeit greift die Korrosion so weit fort, so daß schließlich die Matrix selbst angegriffen wird.

[0004] Es hat sich jedoch gezeigt, daß gerade Hochtemperatur-Schutzschichten, auf denen sich solche Deckschichten ausbilden, am Besten geeignet sind, Bauelemente aus austenitischen Werkstoffen vor Hochtemperatur-Korrosionen zu schützen.

[0005] Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Hochtemperatur-Schutzschicht zu schaffen, die eine optimal haftende langlebige Deckschichtsicht aufweist.

[0006] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.

[0007] Bei der erfindungsgemäßen Legierung handelt es sich um eine oxiddispersionsgehärtete Legierung. Sie weist eine deutliche Verbesserung bezüglich der Oxidationsbeständigkeit gegenüber bereits bekannten Hochtemperatur-Schutzschichten auf. Bei der aufgetragenen Hochtemperatur-Schutzschicht ist festzustellen, daß sie ebenfalls aluminiumhaltige Phasen aufweist, welche die Ausbildung einer aluminiumoxidhaltigen Deckschicht ermöglichen. Wird dem Basiswerkstoff, der die Hochtemperaur-Schutzschichtlegierung bildet, Zirkonium und Silizium zulegiert, so kommt es auf der alumiumoxidhaltigen Deckschicht zur Ausbildung einer zusätzlichen Aluminium-Nickel-Chrom-Oxidschicht, welche den Schutz der Hochtemperatur-Schutzschicht und des darunter befindlichen Bauelementes wesentlich erhöht. Die erfindungsgemäße Hochtemperatur-Schutzschicht weist ferner die Eigenschaft auf, daß sie eine wesentlich bessere Haftfestigkeit auf den Bauelementen aufweist. Dies gilt auch für ihre Deckschicht.

[0008] Die erfindungsgemäße Hochtemperatur-Schutzschicht wird bei einer bevorzugten Ausführungsform durch eine Legierung gebildet, die Chrom, Aluminium, Nickel, Silizium und Zirkonium enthält. Eine bevorzugte Zusammensetzung dieser Legierung weist 25 bis 27 Gew.% Chrom, 4 bis 7 Gew.% Aluminium, 1 bis 3 Gew.% Silizium, 1 bis 2 Gew.% Zirkonium auf, wobei der übrige Bestandteil der Legierung durch Nickel gebildet wird.

[0009] Eine Hochtemperatur-Schutzschicht mit den gleichen Eigenschaften wird durch die Verwendung einer Legierung erzielt, die Chrom, Aluminium, Nickel, Silizium und Tantal enthält. Vorzugsweise wird hierbei eine Legierung verwendet, die 23 bis 27 Gew.% Chrom, 3 bis 5 Gew.% Aluminium, 1 bis 2,5 Gew.% Silizium, 1 bis 3 Gew.% Tantal enthält, wobei der übrige Anteil der Legierung aus Nickel besteht.

[0010] Alle Gewichtsangaben beziehen sich auf das Gesamtgewicht der jeweiligen Legierung.

[0011] Alle hier beschriebenen Legierungen sind 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 auch bei Temperaturen, die größer als 900 ^OC sind, nicht abgetragen werden.

[0012] Anhand eines Ausführungsbeispiels, das die Herstellung eines beschichteten Gasturbinenbauteils beschreibt, wird die Erfindung näher erläutert. Das zu beschichtende Gasturbinenbauteil ist aus einem austenitischen Material, insbesondere einer Nickel-Superlegierung gefertigt. Vor der Beschichtung wird das Bauteil zunächst chemisch gereinigt und dann mit einem Sandstrahl aufgerauht. Die Beschichtung des Bauelements erfolgt unter , Vakuum mit Hilfe des Plasmaspritzverfahrens. Für die Beschichtung wird eine Legierung verwendet, die 27 Gew.% Chrom, 7 Gew.% Aluminium, 3 Gew.% Silizium, 1 Gew.% Zirkonium aufweist, wobei der übrige Bestandteil der Legierung durch Nickel gebildet wird. Die Gewichtsangaben beziehen sich dabei auf das Gesamtgewicht der Legierung. Die pulverförmige Legierung weist vorzugsweise eine Korngröße von 45 um auf. Vor dem Aufbringen der Hochtemperatur-Schutzschicht wird das Bauelement mit Hilfe des Plasmastroms auf etwa 800 ^OC erhitzt. Die Legierung, welche die Hochtemperatur-Schutzschicht bildet, wird direkt auf das Grundmaterial des Bauelementes aufgebracht. Als Plasmagas wird Argon und Wasserstoff verwendet. Der Plasmastrom beträgt etwa 580 Ampere und die angelegte Spannung 80 Volt. Nach dem Aufbringen der Legierung auf das Bauelement wird dieses einer Wärmebehandlung unterzogen. Diese erfolgt in einem Hochvakuum-Glühofen. In ihm wird ein Druck aufrecht erhalten, der kleiner als 5 x 10-3 Tor ist. Nach dem Erreichen des Vakuums wird der Ofen auf eine Temperatur von 1100 ^OC aufgeheizt. Die oben angegebene Temperatur wird während etwa 1 Stunde mit einer Toleranz von etwa +/- 4 ^OC gehalten. Anschließend wird die Heizung des Ofens abgeschaltet. Das beschichtete und wärmebehandelte Bauelement wird im Ofen langsam abgekühlt. Seine Herstellung ist damit beendet. Eine Analyse der aufgetragenen Hochtemperatur-Schutzschicht ergibt, daß sie eine Matrixzusammensetzung aufweist, die 28 Gew.% Chrom, 3 Gew.% Silizium , 3,6 Gew.% Aluminium und Nickel enthält. Ferner können zwei ausgeschiedene Phasen festgestellt werden, bei denen eine 14,4 Gew.% Alumium, 2,4 Gew.% Silizium, 8,9 Gew.% Chrom sowie Nickel enthält. Die zweite Phase weist 11 Gew.% Silizium, 26 Gew.% Zikonium, 4 Gew.% Chrom sowie Nickel auf.

[0013] Mit dem gleichen Verfahren kann auch eine Hochtemperatur-Schutzschicht aufgetragen werden, die einen Nickel-Chrom-Aluminum-Basiswerkstoff aufweist, dem Silizium und Tantal zulegiert sind. Zur Bildung einer solchen Hochtemperatur-Schutzschicht wird vorzugsweise eine Legierung verwendet, die 27 Gew.% Chrom, 5 Gew.% Aluminium, 2,5 Gew.% Silizium und 0 bis 3 Gew.% Tantal aufweist.

[0014] Die Untersuchungen einer solchen mit dem oben beschriebenen Verfahren auf ein Bauelement aufgetragenen Hochtemperatur-Schutzschicht ergeben, daß die Hochtemperatur-Schutzschicht eine Matrixzusammensetzung aufweist, die 27 Gew.% Chrom, 3 Gew.% Aluminium, 2,4 Gew.% Silizium, 0,7 Gew.% Tantal enthält, wobei der restliche Anteil aus Nickel besteht. Ferner kommt es bei der Ausbildung der Hochtemperatur-Schutzschicht zur Ausscheidung einer Phase, die 8,5 Gew. % Aluminium, 1,8 Gew.% Silizium, 5,8 Gew.% Tantal, 5,8 Gew.% Chrom enthält, wobei der restliche Anteil aus Nickel besteht.

Ansprüche

1. Hochtemperatur-Schutzschicht mit einer metalloxidhaltigen Deckschicht, insbesondere für Bauelemente aus einem austenitischen Werkstoff, gekennzeichnet durch eine Legierung mit einem M-Cr-Al-Basiswerkstoff, dem ein Metall der 4. oder ein Übergangsmetall der 5. Nebengruppe des Periodensystems sowie ein metallähnlicher Werkstoff zulegiert sind, und daß M stellvertretend für wenigstens ein metallisches Element der 8. Nebengruppe des Periodensystems steht.

2. Hochtemperatur-Schutzschicht nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Basiswerkstoff der Legierung aus Nickel, Chrom und Aluminium besteht.

3. Hochtemperatur-Schutzschicht nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Basiswerkstoff Silizium und Zirkonium als Zusätze enthält.

4. Hochtemperatur-Schutzschicht nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Basiswerkstoff Silizium und Tantal als Zusätze enthält.

5. Hochtemperatur-Schutzschicht nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung 25 bis 27 Gew.% Chrom, 4 bis 7 Gew.% Aluminium, 1 bis 3 Gew.% Silizium und 1 bis 2 Gew.% Zirkonium bezogen auf das Gesamtgewicht der Legierung enthält, und der restliche Anteil der Legierung Nickel ist.

6. Hochtemperatur-Schutzschicht nach einem der Ansprüche 1, 2 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Basiswerkstoff der Legierung 23 bis 27 Gew.% Chrom, 3 bis 5 Gew.% Aluminium, 1 bis 2,5 Gew.% Silizium und 1 bis 3 Gew.% Tantal bezogen auf das Gesamtgewicht der Legierung enthält, und der restliche Anteil der Legierung aus Nickel besteht.

7. Hochtemperatur-Schutzschicht nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung eine oxiddispersionsgehärtete Legierung ist.