Eisenaluminidbeschichtung und Verfahren zum Aufbringen einer Eisenaluminidbeschichtung

Abstract

 Eine Eisenaluminidbeschichtung besteht im wesentlichen aus:

5 - 35	Gew.-%	Aluminium
15 - 25	Gew.-%	Chrom
0.5 - 10	Gew.-%	von Molybdän, Wolfram, Tantal und Niob
0 - 0.3	Gew.-%	Zirkon
0 - 1	Gew.-%	Bor
0 - 1	Gew.-%	Yttrium

Rest Eisen sowie herstellungsbedingte Beimengungen und Verunreinigungen.

Beschreibung

Technisches Gebiet

[0001] Die Erfindung geht aus von einer Eisenaluminidbeschichtung nach dem Oberbegriff des ersten Anspruches.
Die Erfindung betrifft ebenfalls ein Verfahren zum Aufbringen einer Eisenaluminidbeschichtung nach dem Oberbegriff des unabhängigen Verfahrensanspruches.

Stand der Technik

[0002] Aus der EP 0 625 585 B1 ist eine Fe-Cr-Al-Legierung mit hoher Oxidationsbeständigkeit bekanntgeworden. Aus dieser Legierung wurden Folien für Katalysatorträger in katalytischen Konvertern hergestellt.
Beschichtungen die aus dieser Legierung hergestellt wurden zeigten aber insbesondere bei hohen Temperaturen und als Beschichtung von thermisch beanspruchten Elementen von thermischen Strömungsmaschinen ungenügende Oxidationseigenschaften.
Um Wärmedämmschichten auf Schaufeln, Hitzeschilder, usw., von thermischen Strömungsmaschinen und Brennkammern aufzubringen wird auf diese Elemente üblicherweise eine Bindeschicht aufgebracht, die im Vakuum-Plasma-Verfahren aufgetragen wird. Nachteile dieser Bindeschichten sind, dass bei Anwendungstemperaturen über 900°C die Bindeschicht üblicherweise versagt und die Wärmedämmschicht abfällt sowie die ungenügende Oxidationsbeständigkeit der Bindeschicht.

Darstellung der Erfindung

[0003] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Eisenaluminidbeschichtung der eingangs genannten Art das Oxidationsverhalten zu verbessern.

[0004] Erfindungsgemäss wird dies durch die Merkmale des ersten Anspruches erreicht.

[0005] Kern der Erfindung ist es also, dass die Eisenaluminidbeschichtung folgende Zusammensetzung aufweist:

5 - 35 Gew.-%	Aluminium
15 - 25 Gew.-%	Chrom
0.5 - 10 Gew.-%	von Molybdän, Wolfram, Tantal und Niob
0 - 0.3 Gew.-%	Zirkon
0 -1 Gew.-%	Bor
0 - 1 Gew.-%	Yttrium
Rest Eisen sowie herstellungsbedingte Beimengungen und Verunreinigungen.

[0006] Die Vorteile der Erfindung sind unter anderem darin zu sehen, dass die Beschichtung einen guten Oxidationswiderstand aufweist, dies insbesondere bei Temperaturen über 1000°C. Die Verwendung von intermetallischen Phasen hat zudem den Vorteil, das die Beschichtung auch bei hohen Temperaturen nicht versagt, dies ist insbesondere ein Vorteil wenn die Schicht als Bindeschicht für eine Wärmedämmschicht verwendet wird. Die Eisenaluminidbeschichtung ist somit hervorragend geeignet als Beschichtung und Bindeschicht für thermisch beanspruchte Elemente von thermischen Strömungsmaschinen.
Die Duktil-Spröd-Uebergangstemperatur DBTT (engl.: Ductile Brittle Transition Temperature) liegt bei den erfindungsgemässen Beschichtungen tiefer als bei herkömmlichen Ni-Basis-Beschchtungen, was sehr vorteilhaft für die Anwendung als Beschichtung ist.

[0007] Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

[0008] In den Zeichnungen sind Messbeispiele schematisch dargestellt.
Es zeigen:

Fig. 1

die Gewichtsänderung in Bezug zur Oberfläche [Δm/A] bei 1050°C über die Zeit in Minuten;

Fig. 2

die Gewichtsänderung [Δm] bei 1300°C über die Zeit in Minuten.

[0009] Es sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentlichen Elemente gezeigt.

Weg zur Ausführung der Erfindung

[0010] Es wurden Beschichtungen auf der Basis von intermetallischen Phasen auf der Basis von Eisenaluminiden entwickelt. Ein bevorzugter Bereich ist:

5 - 35 Gew.-%	Aluminium
15 - 25 Gew.-%	Chrom
0.5 - 10 Gew.-%	von Molybdän, Wolfram, Tantal und Niob
0 - 0.3 Gew.-%	Zirkon
0 - 1 Gew.-%	Bor
0 - 1 Gew.-%	Yttrium
Rest Eisen sowie herstellungsbedingte Beimengungen und Verunreinigungen.

[0011] Ein besonders bevorzugter Bereich ist:

10 - 25 Gew.-%	Aluminium
15 - 20 Gew.-%	Chrom
2 - 10 Gew.-%	von Molybdän, Wolfram, Tantal und Niob
0.1 - 0.3 Gew.-%	Zirkon
0.1 - 0.5 Gew.-%	Bor
0.2 - 0.5 Gew.-%	Yttrium
Rest Eisen sowie herstellungsbedingte Beimengungen und Verunreinigungen.

[0012] Durch die erfindungsgemässe Kombination der oben beschriebenen Elemente wird eine intermetallische Phase mit hervorragenden Oxidationseigenschaften und hoher Temperaturbeständigkeit erzeugt.

[0013] Die Beschichtungen können mittels CVD, PVD, Plasmaspritzen, usw., auf die thermisch beanspruchten Elementen von thermischen Strömungsmaschinen aufgebracht werden.

[0014] Aluminium ist unbedingt nötig um eine hervorragende Oxidationsbeständigkeit zu erreichen. Wenn der Aluminiumgehalt unter 5 Gew.-% sinkt wird eine ungenügende Oxidationsbeständigkeit erzielt, bei einem Aluminiumgehalt über 35 Gew.-% versprödet der Werkstoff. Der Aluminiumgehalt liegt somit zwischen 5 Gew.-% und 35 Gew.-%, vorzugsweise zwischen 10 Gew.-% und 25 Gew.-%.

[0015] Chrom erhöht die Oxidationsbeständigkeit und verstärkt den Effekt von Aluminium auf die Oxidationsbeständigkeit. Wenn der Chromgehalt unter 15 Gew.-% sinkt wird eine ungenügende Oxidationsbeständigkeit erzielt, bei einem Chromgehalt über 25 Gew.-% wird der Werkstoff zu spröde. Der Chromgehalt liegt somit zwischen 15 Gew.-% und 25 Gew.-%, vorzugsweise zwischen 15 Gew.-% und 20 Gew.-%.

[0016] Molybdän, Wolfram, Tantal und Niob erhöhen ebenfalls die Oxidationsbeständigkeit und verbessern die Morphologie der Oxydschicht und reduzieren die Interdiffusion zwischen der Beschichtung und dem Grundwerkstoff. Der Gesamtgehalt dieser Elemente sollte nicht unter 0.5 Gew.-% sinken und einen Gehalt von 10 Gew.-% nicht überschreiten. Der Gesamtgehalt von Molybdän, Wolfram, Tantal und Niob liegt somit zwischen 0.5 Gew.-% und 10 Gew.-%, vorzugsweise zwischen 2 Gew.-% und 10 Gew.-%.

[0017] Zirkon erhöht die Oxidationsbeständigkeit und die Duktilität des Werkstoffes, wobei der Zirkongehalt 0.3 Gew.-% nicht übersteigen sollte. Der Zirkongehalt liegt somit bei maximal 0.3 Gew.-%, vorzugsweise zwischen 0.1 Gew.-% und 0.3 Gew.-%.

[0018] Bor erhöht ebenfalls die Duktilität des Werkstoffes, der Borgehalt sollte 1 Gew.-% nicht übersteigen. Der Borgehalt liegt somit bei maximal 1 Gew.-%, vorzugsweise zwischen 0.1 - Gew.-% und 0.5 Gew.-%.

[0019] Yttrium bildet Y₂O₃ und erhöht die Haftung der Beschichtung auf dem Grundwerkstoff, der Yttriumgehalt sollte 1 Gew.-% nicht übersteigen. Der Yttriumgehalt liegt somit bei maximal 1 Gew.-%, vorzugsweise zwischen 0.2 Gew.-% und 0.5 Gew.-%.

Ausführungsbeispiel 1:

[0020] 

Tabelle 1

Legierung in Gew.-%	Fe	Cr	Al	Ta	Mo	B	Zr	Y
1	Rest	20	10	4	--	0.05	0.2	0.2
2	Rest	17	20	4	--	0.05	0.2	0.5
3	Rest	20	15	--	4	0.05	0.2	0.5
4	Rest	20	6	4	--	0.05	0.2	0.5
5	Rest	25	5	--	4	0.05	0.2	0.5

[0021] Es wurden knopfgrosse Proben von ca. 20 mg durch Lichtbogenschmelzen aus den Legierungen 1 bis 5 der Tabelle 1 hergestellt. Die Proben wurden dreimal eingeschmolzen, um eine genügende Homogenität zu gewährleisten. Danach wurden die Proben bei 900°C isothermisch geschmiedet mit einer Querhaupt-Geschwindigkeit von 0.1 - mm/s. Die Proben wurden dabei mit einem Deformationsfaktor von 1.28 verformt. Danach wurden die Proben wärmebehandelt, d.h. sie wurden bei 1000°C eine Stunde gehalten und dann im Ofen abgekühlt. Die Oberfläche der Proben wurde danach sandgestrahlt. Die Endgrösse der Proben betrug ca. 40 mm im Durchmesser bei 2 bis 2.5 mm Dicke.

[0022] Diese Proben wurden nun bei 1050°C an Luft gehalten und die Gewichtsänderung im Verhältnis zur Oberfläche gemessen.
Nach Fig. 1 zeigen die Proben der Legierungen 1, 3 und 4 ein hervoragendes Oxidationsverhalten. Schon nach wenigen Minuten zeigen die Proben keine Gewichtszunahme mehr und die Gewichtszunahme in Bezug zur Oberfläche [Δm/A] liegt unterhalb 1 mg/cm².
Auch die Probe nach der Legierung 2 zeigt ein hervorragendes Oxidationsverhalten, ist aber leicht schlechter als die Proben nach den Legierungen 1, 3 und 4. Trotzdem zeigt die Probe 2 auch nach wenigen Minuten keine Gewichtszunahme mehr und die Gewichtszunahme in Bezug zur Oberfläche [Δm/A] liegt immer noch unterhalb 1 mg/cm².
Die Probe nach der Legierung 5, die in ihrem Cr- und Al-Gehalt der EP 0 625 585 B1 entspricht zeigt ein deutlich schlechteres Oxidationsverhalten. Die Gewichtszunahme in Bezug zur Oberfläche [Am/A] nimmt zwar nach einigen Minuten nicht mehr so stark zu, es wurde jedoch eine stetige Gewichtszunahme über die gesamte Messdauer gemessen.

Ausführungsbeispiel 2:

[0023] 

Tabelle 2

Legierung in Gew.-%	Fe	Cr	Al	Ta	Mo	B	Zr	Y
6	Rest	20	15	--	4	0.05	0.2	--
7	Rest	15	15	--	4	0.05	0.2	0.2

[0024] Aus den in der Tabelle 2 genannten Legierungen 6 und 7 wurden Proben hergestellt und das Oxidationsverhalten bei 1300°C an Luft untersucht. Die Proben zeigen nach Fig. 2 ein hervorragendes Oxidationsverhalten bei 1300°C, sie wiesen nach ungefähr 10 Stunden ebenfalls praktisch keine Gewichtszunahme durch Oxidation mehr auf.

[0025] Die Eisenaluminidbeschichtung kann direkt auf Werkstücke, insbesondere thermisch beanspruchte Elemente von thermischen Strömungsmaschinen, beispielsweise Schaufeln, Hitzeschilde, Auskleidungen von Brennkammern, usw., aus Nikkel-Basis-Legierungen aufgetragen werden. Vorteilhaft ist es, zwischen der Eisenaluminidbeschichtung und der Nickel-Basis-Legierung eine Schicht aus Platin anzuordnen. Diese Platinschicht fungiert als Diffusionsbarriere zwischen der Eisenaluminidbeschichtung und der Nickel-Basis-Legierung. Die Platinschicht weist vorzugsweise eine Dicke von 10 bis 20 µm auf.

[0026] Die Eisenaluminidbeschichtung kann als Bindeschicht zwischen thermisch beanspruchten Elementen von thermischen Strömungsmaschinen, beispielsweise Schaufeln, Hitzeschilde, Auskleidungen von Brennkammern, usw., und einer Wärmedämmschicht verwendet werden. Die Wärmedämmschicht besteht dabei beispielsweise aus Zirkonoxid das mit Yttriumoxid, Calciumoxid oder Magnesiumoxid teil- oder vollstabilisiert wurde.

[0027] Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf das gezeigte und beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt.

Ansprüche

1. Eisenaluminidbeschichtung, im wesentlichen bestehend aus:

5 - 35 Gew.-%	Aluminium
15 - 25 Gew.-%	Chrom
0.5 - 10 Gew.-%	von Molybdän, Wolfram, Tantal und Niob
0 - 0.3 Gew.-%	Zirkon
0 - 1 Gew.-%	Bor
0 - 1 Gew.-%	Yttrium
Rest Eisen sowie herstellungsbedingte Beimengungen und Verunreinigungen.

2. Eisenaluminidbeschichtung nach Anspruch 1,
im wesentlichen bestehend aus:

10 - 25	Gew.-%	Aluminium
15 - 20	Gew.-%	Chrom
2- 10	Gew.-%	von Molybdän, Wolfram, Tantal und Niob
0.1 - 0.3	Gew.-%	Zirkon
0.1 - 0.5	Gew.-%	Bor
0.2 - 0.5	Gew.-%	Yttrium
Rest Eisen sowie herstellungsbedingte Beimengungen und Verunreinigungen.

3. Eisenaluminidbeschichtung nach Anspruch 1 oder 2,
als Bindeschicht zwischen thermisch beanspruchten Elementen von thermischen Strömungsmaschinen und einer Wärmedämmschicht.

4. Eisenaluminidbeschichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3,
wobei das thermisch beanspruchte Element aus einer Nickel-Basis-Legierung besteht.

5. Eisenaluminidbeschichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
wobei zwischen dem thermisch beanspruchten Element und der Eisenaluminidbeschichtung eine Platinschicht angeordnet ist.

6. Verfahren zum Aufbringen einer Eisenaluminidbeschichtung nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass das zu beschichtende Werkstück mit einer Platinschicht überzogen wird und dass die Eisenaluminidbeschichtung auf die Platinschicht aufgetragen wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Platinschicht eine Dicke von 10 bis 20 µm aufweist.

8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7,
dadurch gekennzeichnet,
dass auf die Eisenaluminidbeschichtung eine Wärmedämmschicht aufgetragen wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Wärmedämmschicht aus Zirkonoxid das mit Yttriumoxid, Calciumoxid oder Magnesiumoxid teil- oder vollstabilisiert wurde besteht.

Zeichnung