Hochtemperatur-Verbund-Werkstoff, Verfahren zu seiner Herstellung sowie dessen Verwendung

Beschreibung

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft einen neuen korro­sions- und verschleißbeständigen Hochtemperatur-Verbund-­Werkstoff auf Basis einer Legierung des Typs MCrAlY als Matrixmetall mit Platin und/oder Rhodium als Legierungs­elemente in Mengen von 5 bis 15 Gew.-%, ein Verfahren zur Herstellung dieses Hochtemperatur-Verbund-Werkstof­fes sowie dessen Verwendung.

[0002] In vielen modernen Industrieanlagen, wie z.B. bei der Energiegewinnung, der Müllverbrennung oder Kohleverga­sung, müssen Anlagen-Bauteile gegen Hochtemperaturkorro­sion und Verschleiß beständig sein oder durch geeignete Überzüge weitgehend davor geschützt werden.

[0003] Aus dem Bereich des Gasturbinenbaus, insbesondere der Flugtriebwerke, ist der Einsatz von Werkstoffen mit der allgemeinen Bezeichnung MCrAlY-Legierungen bekannt, wo­bei M ein Metall aus der Gruppe Eisen, Kobalt und Nickel oder Kombinationen dieser Elemente darstellt. Werkstoffe dieser Art sind beschrieben in den US-A-3 874 901, US-A-­53 928 026, US-A-3 542 530 und US-A-3 754 903. Die Wei­terentwicklung der MCrAlY-Legierungen mit dem Ziel, die Korrosionsbeständigkeit zu erhöhen, hat zu Edelmetall­haltigen Legierungstypen geführt. So wird in der US-A-­3 918 139 eine MCrAlY-Legierung mit 3 bis 12 Gew.-% Pla­tin oder Rhodium beschrieben. Platin-haltige Überzugs­legierungen auf NiCrAl-Basis haben in der Vergangenheit in vielen Fällen hervorragende Korrosionsbeständigkeit bewiesen.

[0004] Zur Verbesserung des Verschleißverhaltens der MCrAlY-­Werkstoffe können gemäß den US-A-3 879 831 und US-A-­4 124 737 den Basislegierungen unter anderem Hartstoffe wie Oxide und Nitride zugesetzt werden. Darüber hinaus ist aus der US-A-4 275 124 bekannt, das Verschleißver­halten von MCrAlY-Legierungen durch in - situ - gebilde­te Carbide oder durch zulegierte Carbide zu erhöhen.

[0005] In der US-A-4 275 090 ist Chromcarbid, Cr₃C₂, als Zusatz genannt. Außerdem ist aus den US-A-4 117 179 und US-A-­4 124 137 der Zusatz von TaC zu Ni-Cr- und Co-Cr-Werk­stoffen zwar bekannt, der Einfluß von Tantal auf das Oxidations-Korrosionsverhalten wird aber vorwiegend als negativ beschrieben.

[0006] Die in die MCrAlY-Matrix eingelagerten Carbide reagieren aufgrund physikalischer und chemischer Eigenschaften dieses Verbundsystems unter den auftretenden Betriebs­temperaturen mehr oder weniger stark in der Matrix. Die Reaktionsgeschwindigkeit nimmt mit steigender Temperatur zu und Carbide der 6. Nebengruppe (z.B. Cr₃C₂) werden bei gleicher Temperatur schneller abgebaut als die der 4. Nebengruppe (z.B. TiC, NbC). Da der Wirkungsgrad vieler bei hohen Temperaturen arbeitenden Anlagen durch Temperatursteigerung weiter erhöht werden kann, sind je­doch hochtemperaturstabile korrosions- und verschleißbe­ständige Werkstoffe erforderlich.

[0007] Aufgabe der Erfindung ist es daher, die Hochtemperatur-­Stabilität der Verbundwerkstoffe aus MCrAlY-Matrix und Hartstoffen zu verbessern, um die Nachteile der bekann­ten Werkstoff-Kombinationen zu überwinden. Demgemäß sollen also temperaturstabile korrosions- und ver­schleißbeständige Legierungen zur Verfügung gestellt werden, die bei Temperaturen von 600 bis 1100°C ein­setzbar sind.

[0008] Es wurde nun gefunden, daß diese Bedingungen erfüllt werden durch einen MCrAl(Y)-Werkstoff (mit oder ohne Yttrium-Anteil), der neben Platin oder Rhodium Carbide der 4. und/oder 5. und/oder 6. Nebengruppe des Perioden­systems der Elemente enthält. Es hat sich gezeigt, daß diese zusätzlichen Legierungs-Elemente die Abbau-Reak­tionen der Carbide mit der Matrix stark verringern, so daß in die Matrix eingelagerte Carbidpartikel ihre ver­schleißhemmende Wirkung länger aufrechterhalten. Der Einsatz von Mischcarbiden ist ebenfalls möglich.

[0009] Die vom Platin zusätzlich ausgehende positive Wirkung in diesem Zusammenhang ist bekanntermaßen eine Verbesse­rung des Korrosionsverhaltens durch verbesserte Oxidhaf­tung auf der Oberfläche. Der Platingehalt der MCrAlY-Ma­trix kann bis zu 15 Gew.-% betragen, der Carbidanteil zwischen 0,01 und 75 Gew.-% variieren.

[0010] Gegenstand dieser Erfindung ist somit ein Korrosions- und verschleißbeständiger Hochtemperatur-Verbund-Werk­stoff auf Basis einer Legierung des Typs MCrAlY als Matrixmetall mit Platin und/oder Rhodium als Legierungs­elemente in Mengen von 5 bis 15 Gew.-%, wobei in das Ma­trixmetall Hartstoffpartikel in Form von Carbiden der Elemente Vanadium, Niob, Tantal, Titan, Zirkon, Hafnium, Chrom, Molybdän und/oder Wolfram und/oder Mischungen derselben in Mengen von 0,01 bis 75 Gew.-%, bevorzugt 5 bis 75 Gew.-%, bezogen auf den Hochtemperatur-Verbund-­Werkstoff, eingelagert sind.

[0011] In einer bevorzugten Ausführungsform beträgt die Carbid-­Partikelgröße unter 50 µm. Die enthaltenen Carbid-Parti­kel sind kompakt. Entsprechende Matrixlegierungen des Typs MCrAlY mit Platin- und/oder Rhodiumzusätzen in Pul­verform als Matrixwerkstoffe für Verbundwerkstoffe mit eindispergierten Hartstoffpulvern waren bislang noch nicht bekannt geworden.

[0012] Gegenstand dieser Erfindung ist auch ein Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen Hochtemperatur-Ver­bund-Werkstoffe. Die erfindungsgemäßen MCrAlY-Hartstoff-­Legierungen können bevorzugt durch Suspensionsverdüsen, mechanisches Legieren oder Mischen von Verbundpulver aus MCrAlY, Platin und/oder Rhodium und Hartstoffen wie Car­biden der Elemente Vanadium, Niob, Tantal, Titan, Zir­kon, Hafnium, Chrom, Molybdän und/oder Wolfram und/oder Mischungen derselben hergestellt werden, die 5 bis 15 Gew.-% Platin und/oder Rhodium und 0,01 bis 75 Gew.-%, bevorzugt 5 bis 75 Gew.-%, Metallcarbidanteil enthalten, erhalten werden.

[0013] Gegenstand der Erfindung ist auch die Verwendung der Hochtemperatur-Verbund-Werkstoffe zur Herstellung von Oberflächenschutzschichten. Hierbei erfolgt die Verar­beitung der Pulver zu den Oberflächenschutzschichten be­vorzugt durch Auftragsschweiß- oder thermische Spritz­verfahren wie Plasmaspritzen, Pulverplasma-Auftrags­schweißen, Hochgeschwindigkeitsflammspritzen oder Laser-­Beschichten.

[0014] Gegenstand dieser Erfindung ist auch die Verwendung der erfindungsgemäßen Hochtemperatur-Verbund-Werkstoffe zur Herstellung von Kompaktbauteilen, die durch Kompaktieren der pulverförmigen Ausgangsstoffe zu Bauteilrohlingen oder Bauteilen erhalten werden. Durch Kompaktierverfah­ren wie Sintern, heißisostatisches Pressen oder Spritz­guß ist die Herstellung hochtemperaturbeständiger, ab­riebfester Bauteile möglich.

[0015] Sehr dichte, gut haftende Verbundschichten wurden durch Vakuumplasmaspritzen hergestellt. Sie sind auf Korro­sionsbeständigkeit und Haftfestigkeit durch zyklisches Aufheizen auf 900°C und Abkühlen auf 200°C getestet wor­ den. Der Aufheiz-, Temper- und Abkühlzyklus dauerte 80 Minuten. Als Grundwerkstoff wurde eine Nickelbasis-­Superlegierung verwendet.

[0016] Nach 1000 Testzyklen (1333 Stunden) waren keine Anzei­chen für einen Ausfall der Schichten - Durchbrüche oder Abplatzungen - zu erkennen.

[0017] Ein Vergleich zwischen platinfreier und platinhaltiger, mit Carbiden durchsetzter Matrix zeigt, daß der diffu­sionsbedingte Austausch zwischen Carbid- und Matrixele­menten bei Anwesenheit von Platin langsamer abläuft.

[0018] Durch Pulverplasmaauftragsschweißen und Plasmaspritzen wurden Schichten mit unterschiedlichen Gehalten an Hart­stoffen hergestellt und damit das Abrasions-Verschleiß­verhalten gegen SiC-Scheiben der Körnung 600 als Gegen­körper ermittelt. Alle Matrix-Hartstoff-Kombinationen zeigten dabei ein ähnliches gegenüber der Hartstoff­freien Matrix-Schicht verbessertes Verhalten. Die Zugabe von 75 Vol.-% Hartstoff bewirkt unabhängig von der Hart­stoffart eine deutliche Verminderung der Verschleißrate. Je nach Hartstoffart beträgt der Verschleiß nur noch 55 bis 70% der Verschleißrate der reinen Matrix-Legie­rung.

[0019] MCrAlY-Platin-Hartstoff-Verbundpulver sind durch heiß­isostatisches Pressen (HIP) zu Kompaktkörpern verarbeitet worden. Die Auswertung von Verschleißuntersuchungen be­stätigt die mit Hilfe der Schutzschicht gewonnenen Er­gebnisse.

Ansprüche

1. Korrosions- und verschleißbeständiger Hochtempera­tur-Verbund-Werkstoff auf Basis einer Legierung des Typs MCrAlY als Matrixmetall mit Platin und/oder Rhodium als Legierungselemente in Mengen von 5 bis 15 Gew.-%, dadurch gekennzeichnet, daß in das Ma­trixmetall Hartstoffpartikel in Form von Carbiden der Elemente Vanadium, Niob, Tantal, Titan, Zirkon, Hafnium, Chrom, Molybdän und/oder Wolfram und/oder Mischungen derselben in Mengen von 0,01 bis 75 Gew.-%, bevorzugt 5 bis 75 Gew.-%, bezogen auf den Hochtemperatur-Verbund-Werkstoff, eingelagert sind.

2. Verfahren zur Herstellung von Hochtemperatur-Ver­bund-Werkstoffen gemäß Anspruch 1, dadurch gekenn­zeichnet, daß durch Suspensionsverdüsen, mechani­sches Legieren oder Mischen von Verbundpulver aus MCrAlY, Platin und/oder Rhodium und Hartstoffen wie Carbiden der Elemente Vanadium, Niob, Tantal, Titan, Zirkon, Hafnium, Chrom, Molybdän und/oder Wolfram und/oder Mischungen derselben hergestellt werden, die 5 bis 15 Gew.-% Platin und/oder Rhodium und 0,01 bis 75 Gew.-%, bevorzugt 5 bis 75 Gew.-%, Metallcarbidanteil enthalten.

3. Verwendung der Hochtemperatur-Verbund-Werkstoffe gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2 zur Herstellung von Oberflächenschutzschichten, die durch Auftrags­schweiß- oder thermische Spritzverfahren wie Plas­ maspritzen, Pulverplasma-Auftragsschweißen, Hochge­schwindigkeitsflammspritzen oder Laser-Beschichten erhalten werden.

4. Verwendung der Hochtemperatur-Verbund-Werkstoffe gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2 zur Herstellung von Kompaktbauteilen, die durch Kompaktieren der pulverförmigen Ausgangsstoffe zu Bauteilrohlingen oder Bauteilen erhalten werden.