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 zu schützen ist, die bei Temperaturen über 600 °C verwendet werden.

[0003] Durch diese Hochtemperatur-Schutzschichten soll die Wir­kung von Hochtemperaturkorrosionen vor allem von Schwe­fel, Ölaschen, Sauerstoff, Erdalkalien und Vanadium ver­langsamt bzw. vollständig unterbunden werden. Solche Hochtemperatur-Schutzschichten sind so ausgebildet, daß sie direkt auf das Grundmaterial des zu schützenden Bau­elementes aufgetragen werden können.

[0004] Bei Bauelementen von Gasturbinen sind Hochtemperatur-­Schutzschichten von besonderer Bedeutung. Sie werden vor allem auf Lauf- und Leitschaufeln sowie auf Wärmestau­segmente von Gasturbinen aufgetragen.

[0005] 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.

[0006] Bis jetzt ist es üblich, Bauelemente, die für Gas­turbinen 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 Hochtempera­turschutzschicht versehen ist, einer Betriebstemperatur von mehr als 950°C ausgestzt, so beginnt das in der Phase enthaltene Aluminium an die Oberfläche zu diffun­dieren, wo es zur Ausbildung einer Aluminiumoxiddeck­schicht 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 Hochtemperaturschuztschicht verloren geht. Im Laufe der Zeit schreitet die Korrosion so weit fort, daß die Matrix der Hochtemperaturschutzschicht selbst ange­griffen wird.
Es hat sich jedoch gezeigt, daß durch solche Hoch­temperaturschutzschichten Bauelemente aus austenitischen Werkstoffen am Besten geschützt werden, so daß auf diese Schutzschichten nicht verzichtet werden kann.

[0007] Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Hochtemperaturschutzsschicht zu schaffen, die selbst fest haftet und zudem eine fest haftende und langlebige Deckschicht aufweist.

[0008] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.

[0009] Bei der erfindungsgemäßen Schutzschicht handelt es sich um eine oxiddispersionsgehärtete Legierung. Sie weist eine deutliche Verbesserung der Oxidbeständigkeit gegenüber den bereits bekannten Hochtemperaturschutz­schichten auf. Bei der erfindungsgemäßen Hochtempera­tur-Schutzschicht ist festzustellen, daß sie ebenfalls aluminiumhaltige Phasen aufweist, welche die Ausbildung einer aluminiumoxidhaltigen Deckschicht ermöglichen. Wird dem Basiswerkstoff, der die Hochtemperatur­Schutzschicht bildet, Zirkonium und Silizium zulegiert, so kommt es auf der aluminiumoxidhaltigen Deckschicht zur Ausbildung einer zusätzlichen Aluminium-Nickel-­Chrom-Oxidschicht, welche den Schutz der Hochtempera­tur-Schutzschicht und des darunter befindlichen Bauele­mentes wesentlich erhöht. Mit einem Zusatz von Silizium und Tantal kann ebenfalls die Ausbildung einer Alumin­iumoxiddeckschicht erreicht werden. Die mit dem einen oder anderen Zusatz hergestellte erfindungsgemäße Hoch­temperaturschutzschicht erfährt eine wesentlich bessere Haftfestigkeit auf den Bauelementen als bekannte Schichten dieser Art. Dies gilt auch für ihre Deck­schichten. 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 Ober­fläche der Hochtemteraturschutzschicht 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 Legie­rung gebildet, die Chrom, Aluminium, Nickel, Yttrium, Silizium und Zirkonium enthält. An Stelle von Ytrium 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.% Sili­zium, und 1 bis 2 Gew.% Zirkomium auf, wobei der übrige Anteil der Legierung durch Nickel gebildet wird. Die 0,2 bis 2 Gew % Ytrrium können auch durch 0,2 bis 2 Gew % Yttrium und Hafnium bzw. durch 0,2 bis 2 Gew % Hafnium ersetzt werden.

[0010] Eine Hochtemperatur-Schutzschicht mit den gleichen Ei­genschaften 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 verwen­det, 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.% Yt­trium können auch durch 0,2 bis 2 Gew.% Yttrium und Haf­nium bzw. durch 0,2 bis 2 Gew.% Hafnium ersetzt werden. Alle Gewichtsangaben beziehen sich auf das Gesamtgewicht der jeweiligen Legierung.

[0011] 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 Legierungs­zusammensetzungen gleich schnell und gleich stark aus­bilden, und die auch bei Temperaturen, die größer als 950°C sind, nicht abgetragen werden.

[0012] Anhand eines Ausführungsbeispiels, das die Herstellung eines beschichteten Gasturbinenenbauteils 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 Bauelementes erfolgt unter Vakuum mit­tels 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 be­steht 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 ver­wendet werden, die 23 bis 27 Gew.% Chrom, 3 bis 5 Gew.% Aluminium, 0,2 bis 2 Gew.% Yttrium, 1 bis 2,5 Gew.% Si­lizium, 0,1 bis 3 Gew.% Tantal aufweist, wobei der rest­liche 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 Gewichtsanganben 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-Schutz­schicht, insbeondere vor dem Aufbringen der die Schutz­schicht bildenden Legierung, wird das Bauelement mit Hilfe des Plasmas auf 800 °C erhitzt. Die Legierung, wird direkt auf das Grundmaterial des Bauelementes auf­getragen. Als Plasmagas wird Argon und Wasserstoff ver­wendet. Nach dem Aufbringen der Legierung wird das Bau­element einer Wärmebehandlung unterzogen. Diese erfolgt in einem Hochvakuumglühofen. In ihm wird ein Druck auf­recht erhalten, der kleiner als 5x10⁻³ Torr ist. Nach dem Erreichen des Vakuums wird der Ofen auf eine Tempe­ratur von 1100 °C aufgeheizt. Die oben angegebene Tempe­ratur wird während etwa 1 Stunde mit einer Toleranz von etwa +/- 4 °C gehalten. Anschließend wird die Heizung des Ofens abgeschaltet. Das beschichtete und wärmebehan­delte Bauelement wird im Ofen langsam abgekühlt. Seine Herstellung ist nach dem Abkühlen beendet. Alle Legie­rungsvarianten werden in der gleichen Weise aufgetragen.

Ansprüche

1. Hochtemperatur-Schutzschicht aus einer Legie­rung, die Nickel, Chrom, Aluminium und Yttrium erhält, insbesondere für Bauelemente aus einem austenitischen Werkstoff, dadurch gekennzeichnet, daß der Legierung wenigstens ein Metall der 4. oder ein Übergangsmetall der 5. Nebengruppe des Periodensystems sowie ein metall­ähnlicher Werkstoff zulegiert sind.

2. Hochtemperatur-Schutzschicht nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung als Zusatz Silizium und Zirkonium enthält.

3. Hochtemperatur-Schutzschicht nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung als Zusatz Silizium und Tantal enthält.

4. Hochtemperatur-Schutzschicht nach einem der An­sprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Legie­rung 1 bis 3 Gew.% Silizium und 1 bis 2 Gew.% Zirkonium bezogen auf das Gesamtgewicht der Legierung als Zusatz enthält.

5. Hochtemperatur-Schutzschicht, nach einem der Ansprüch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Legie­rung 1 bis 2,5 Gew.% Silizium und 0,1 bis 3 Gew.% Tantal bezogen auf das Gesamtgewicht der Legierung als Zusatz enthält.

6. Hochtemperatur-Schutzschicht nach einem der An­sprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Legie­rung 0,2 bis 2 Gew.% Yttrium und/oder Hafnium bezogen auf das Gesamtgewicht der Legierung erhält.

7. Hochtemperatur-Schutzschicht nach einem der An­sprüche 1,2 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Le­gierung 25 bis 27 Gew.% Chrom, 4 bis 12 Gew.% Aluminium, 0,2 bis 2 Gew.% Yttrium und/oder Hafnium, 1 bis 3 Gew.% Silizium und 1 bis 2 Gew.% Zirkonium bezogen auf das Gesamtgewicht der Legierung enthält, und der restliche Anteil der Legierung aus Nickel besteht.

8. Hochtemperatur-Schutzschicht nach einem der An­sprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Legie­rung 23 bis 27 Gew.% Chrom, 3 bis 5 Gew.% Aluminium, 1 bis 2,5 Gew.% Silizium und 0,1 bis 3 Gew.% Tantal bezo­gen auf das Gesamtgewicht der Legierung aufweist, und der restliche Anteil der Legierung aus Nickel besteht.