Beschichtetes Substrat, das bei hohen Temperaturen gegen Oxidation und Korrossion geschützt ist

Abstract

 Das beschichtete Substrat ist bei hohen Temperaturen, d.h. Temperaturen höher als 500 °C, durch die Beschichtung gegen Oxidation und Korrosion geschützt. Das Beschichtungsmaterial umfasst Komponenten M, Chrom Cr, Aluminium Al sowie eine optionale Komponente X, wobei eine aus diesen Komponenten gebildete Legierung MCrAlX die Komponente M als Basis enthält. M besteht aus Nickel Ni, Cobalt Co oder einer Kombination von Ni und Co. Die Komponente X besteht - falls vorhanden - aus einem der Elemente Yttrium Y, Zirkonium Zr, Niobium Nb, Hafnium Hf, Tantal Ta, Rhenium Re oder einem Gemisch dieser Elemente. Relativ zum Gewicht der Legierung MCrAlX liegen die Anteile der genannten Stoffe in Bereichen 50 - 75 % für die Komponente M, 20 - 25 % für Cr, 8 - 11 % für Al und 0 - 10 % für die Komponente X. Das gesamte Beschichtungsmaterial besteht aus einer Legierung MCrAlXSc, der zwecks Stabilisierung der Beschichtung bei Hochtemperaturbedingungen bis zu 2 % Scandium Sc zulegiert ist, und deren Anteil an Sc mindestens 0.05 % beträgt.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein beschichtetes Substrat, das bei hohen Temperaturen durch die Beschichtung gegen Oxidation und Korrosion geschützt ist, gemäss Oberbegriff von Anspruch 1. Die Erfindung bezieht sich auch auf Verwendungen, einerseits auf eine Verwendung des Beschichtungsmaterials und andererseits auf Verwendungen von beschichteten Bauteilen.

[0002] Die Beschichtung selbst, die das beschichtete Substrat gemäss der Erfindung aufweist, ist notwendigerweise gegen Oxidation und Korrosion bei Hochtemperaturbedingungen beständig. Eine solche Beschichtung ist beispielsweise aus der EP-A 0 688 885 bekannt. Diese Publikation offenbart ein Beschichtungsverfahren, bei dem MCrAlY (vgl. Anspruch 1, wobei Komponente X = Yttrium Y) mittels thermischem Spritzen auf das Substrat aufgebracht wird und Oxide von Aluminium und Yttrium beim Spritzen bzw. beim Hochtemperatureinsatz entstehen.

[0003] Aufgabe der Erfindung ist es, ein durch thermisches Spritzen beschichtetes Substrat zu schaffen, dessen Beschichtung hauptsächlich aus der hinsichtlich Hochtemperaturbedingungen günstigen Legierung MCrAlX, mit X = Y, Zr, Nb, Hf, Ta, Re oder Kombination dieser Elemente, hergestellt ist, wobei diese Beschichtung durch mindestens einen weiteren Legierungszusatz eine verbesserte Beständigkeit gewinnt. Diese Aufgabe wird durch den im Anspruch 1 definierten Gegenstand gelöst.

[0004] Das beschichtete Substrat ist bei hohen Temperaturen, d.h. Temperaturen höher als 500 °C, durch die Beschichtung gegen Oxidation und Korrosion geschützt. Das Beschichtungsmaterial umfasst Komponenten M, Chrom Cr, Aluminium Al sowie eine optionale Komponente X, wobei eine aus diesen Komponenten gebildete Legierung MCrAlX die Komponente M als Basis enthält. M besteht aus Nickel Ni, Cobalt Co oder einer Kombination von Ni und Co. Die Komponente X besteht - falls vorhanden - aus einem der Elemente Yttrium Y, Zirkonium Zr, Niobium Nb, Hafnium Hf, Tantal Ta, Rhenium Re oder einem Gemisch dieser Elemente. Relativ zum Gewicht der Legierung MCrAlX liegen die Anteile der genannten Stoffe in Bereichen 50 - 75 % für die Komponente M, 20 - 25 % für Cr, 8 - 11 % für Al und 0 - 10 % für die Komponente X. Das gesamte Beschichtungsmaterial besteht aus einer Legierung MCrAlXSc, der zwecks Stabilisierung der Beschichtung bei Hochtemperaturbedingungen bis zu 2 % Scandium Sc zulegiert ist, und deren Anteil an Sc mindestens 0.05 % beträgt.

[0005] Die abhängigen Ansprüche 2 bis 6 betreffen vorteilhafte Ausführungsformen des beschichteten Substrats, dessen Beschichtung die erfindungsgemässe Zusammensetzung aufweist. Die Verwendung dieses Materials in einem Beschichtungsverfahren ist Gegenstand des Anspruchs 7. Die Ansprüche 8 bis 10 beziehen sich auf die Verwendung eines beschichteten Bauteils in einer Maschine oder einem Apparat, wobei dieses Bauteil ein beschichtetes Substrat gemäss der Erfindung ist.

[0006] In der einzigen Figur Fig. 1 ist eine Tabelle abgebildet, in der für erfindungsgemäss zusammentgesetzte Legierungen MCrAlXSc die Anteile von Sc und X = Y, Re sowie Ta (in Gew-%) angegeben sind. Die weiteren Legierungsbestandteile wurden konstant gehalten, nämlich 22% für Cr und 8% für Al. Das Matrixelement M, für das Ni gewählt wurde, bildete den Rest der Legierung MCrAlXSc (Ergänzung auf 100%). Es war eine Vielzahl von Proben mit systematisch variierten Zusammensetzungen präpariert worden. Durch Korrosionsversuche mit diesen Proben und unter Anwendung einer besonderen Auswertungsmethode auf die Versuchsergebnisse liess sich eine Rangfolge gewinnen. Die Tabelle bezieht sich auf einen Teil der zwanzig beständigsten Legierungen. Der Rang ist in der letzten Spalte der Tabelle aufgeführt. Die für die Anteile angegebenen Werte sind in der Regel nicht solche der untersuchten Proben; sondern es sind Werte, die sich mittels der Auswertungsmethode, einer statistischen "design of experiments"-Methode, durch Inter- oder Extrapolation ergeben haben.

[0007] Bei der Auswertung der Versuche wurde die aufgrund von Oxidation entstandene Gewichtszunahme der Proben bestimmt. Bei der Auswertungsmethode wurde dieser Gewichtszunahme die Rolle eines negativen Faktors zugeordnet. Zur Beurteilung der untersuchten Zusammensetzungen wurde ausser der Gewichtszunahme auch berücksichtigt, wieviel Material durch Abplatzen verloren gegangen ist. Die Versuche haben ergeben, dass Scandium Sc einen positiven Einfluss auf die Beständigkeit der Beschichtung hat, dass also Sc eine stabilisierende Wirkung ausübt.

[0008] Es hat sich auch gezeigt, dass durch die Elemente Y, Re und Ta eine teilweise Substituierung bzw. Unterstützung von Sc in Hinsicht auf dessen Stabilisierungswirkung möglich ist. Der Anteil von Sc sollte aber - um eine wesentliche Wirkung zu haben - mindestens 0.5 %, vorteilhafterweise mindestens 1 % betragen.

[0009] Gute Resultate haben sich ergeben, wenn im Beschichtungsmaterial Re mit einem Anteil zwischen 1 und 2 % sowie Ta mit einem Anteil zwischen 2 und 4 % enthalten sind. Wider Erwarten scheint die Anwesentheit von Cer Ce ungünstig oder zumindest ohne positive Wirkung zu sein. Es sollte daher Ce höchstens in Spuren mit einem Anteil von weniger als 0.1 % in der Beschichtung enthalten sein.

[0010] Bezüglich der Basislegierung lässt sich folgendes sagen: Das Matrixelement M besteht aus Ni, Co oder einer Kombination von diesen beiden, wobei der Gesamtgehalt von M typischerweise zwischen 60 und 75% liegt.

[0011] Das Beschichtungsmaterial kann mit einem der folgenden Verfahren aufgebracht werden:

a) Mit einem thermischen Spritzverfahren (Thermal Spray Processing), beispielsweise "HVOF" (High Velocity Oxy Fuel), Kaltgasspritzen ("Cold-Spray"), "LPPS" (Low Pressure Plasma Spray), "VPS" (Vacuum Plasma Spray) oder "Detonation Gun";

b) mit einem Laser-Pulverauftragschweissen (Laser Cladding);

c) mit einem weiteren Verfahren, mit dem eine dichte, gut haftende Beschichtung herstellbar ist, beispielsweise "EBPVD" (Electron Beam Physical Vapor Deposition), "Gas Flow Sputtering" oder "Pack Coating".

[0012] Um einen guten Schutz zu erhalten, muss die Beschichtung relativ dick sein. Die Beschichtung muss dabei so stabilisiert sein, dass bei den vorgesehenen Hochtemperaturbedingungen und einer oxidativen oder korrosiven Belastung während einer vorgegebenen Dauer weitgehend kein Abplatzen von Material erfolgt. Die Dicke der Beschichtung ist vorteilhafterweise grösser als 0.02 mm und kleiner als 0.5 mm.

[0013] Bei der Verwendung der erfindungsgemässen Legierung MCrAlXSc mittels einem der unter a) bzw. b) genannten Beschichtungsverfahren wird diese mit Vorteil in Form eines Spritzpulvers eingesetzt.

[0014] Ein Bauteil, das ein erfindungsgemäss beschichtetes Substrat darstellt, lässt sich in einer Maschine oder einem Apparat verwenden, in der das Bauteil während des Betriebs bei Temperaturen höher als 500 °C gegen Oxidation sowie andere Formen der Hochtemperatur-Korrosion geschützt sein muss. Insbesondere lässt sich durch die Beschichtung ein Schutz gegen ein gasförmiges, Wasser und Sauerstoff enthaltendes Medium herstellen. Das Medium kann auch eine korrosive Chlor-, Schwefel- und/oder Vanadiumverbindung enthalten. Die korrosiven Komponenten können auch in fester oder flüssiger Form auf der Bauteiloberfläche vorliegen.

[0015] Leit- und Laufschaufeln einer Strömungsmaschine oder Teile eines Verbrennungsmotors lassen sich durch eine Beschichtung mit der erfindungsgemässen Zusammensetzung bei Temperaturen von 700°C bis 1100°C schützen. Ein weiteres Beispiel ist eine Dampfturbine, die mit Frischdampf betreibbar ist, wobei der Frischdampf eine thermodynamische Phase mit einem Druck und einer Temperatur grösser als 200 bar bzw. 500°C bildet.

Ansprüche

1. Beschichtetes Substrat, das bei hohen Temperaturen, d.h. Temperaturen höher als 500 °C, durch die Beschichtung gegen Oxidation und Korrosion geschützt ist, wobei das Beschichtungsmaterial Komponenten M, Chrom Cr, Aluminium Al sowie eine optionale Komponente X umfasst, wobei eine aus diesen Komponenten gebildete Legierung MCrAlX die Komponente M als Basis enthält, die aus Nickel Ni, Cobalt Co oder einer Kombination von Ni und Co besteht, die Komponente X - falls vorhanden - aus einem der Elemente Yttrium Y, Zirkonium Zr, Niobium Nb, Hafnium Hf, Tantal Ta, Rhenium Re oder einem Gemisch dieser Elemente besteht, und - relativ zum Gewicht der Legierung MCrAlX - die Anteile der genannten Stoffe zumindest angenähert in Bereichen 50 - 75 % für die Komponente M, 20 - 25 % für Cr, 8 - 11 % für Al und 0 - 10 % für die Komponente X liegen,
dadurch gekennzeichnet, dass das gesamte Beschichtungsmaterial aus einer Legierung MCrAlXSc besteht, der zwecks Stabilisierung der Beschichtung bei Hochtemperaturbedingungen bis zu 2 % Scandium Sc zulegiert ist, und deren Anteil an Sc mindestens 0.05 % beträgt.

2. Beschichtetes Substrat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Beschichtungsmaterial Y, Re und Ta enthalten sind, dass durch diese Elemente eine teilweise Substituierung oder Unterstützung von Sc in Hinsicht auf dessen Stabilisierungswirkung möglich ist und dass der Anteil von Sc mindestens 0.5 %, vorteilhafterweise mindestens 1 % beträgt.

3. Beschichtetes Substrat nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Beschichtungsmaterial Re mit einem Anteil zwischen 1 und 2 %, Ta mit einem Anteil zwischen 2 und 4 % enthalten sind und Cer Ce höchstens in Spuren mit einem Anteil von weniger als 0.1 % enthalten ist.

4. Beschichtetes Substrat nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Komponente M aus Ni, Co oder einer Kombination von Ni und Co mit einem Anteil von M zwischen 60 bis 75 % besteht.

5. Beschichtetes Substrat nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Beschichtungsmaterial mit einem der folgenden Verfahren aufgebracht ist:

a) thermisches Spritzverfahren (Thermal Spray Processing), beispielsweise "HVOF" (High Velocity Oxy Fuel), "Cold-Spray", "LPPS" (Low Pressure Plasma Spray), "VPS" (Vacuum Plasma Spray) oder "Detonation Gun";

b) Laser-Pulverauftragschweissen (Laser Cladding);

c) weiteres Verfahren, mit dem eine dichte, gut haftende Beschichtung herstellbar ist, beispielsweise "EBPVD" (Electron Beam Physical Vapor Deposition), "Gas Flow Sputtering" oder "Pack Coating".

6. Beschichtetes Substrat nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung relativ dick ist, dass insbesondere deren Dicke grösser als 0.02 mm und kleiner als 0.5 mm ist, und dass die Beschichtung so stabilisiert ist, dass bei den vorgesehenen Hochtemperaturbedingungen und einer oxidativen oder korrosiven Belastung während einer angemessenen Dauer weitgehend kein Abplatzen von Material erfolgt.

7. Verwendung eines Materials in einem Beschichtungsverfahren, insbesondere in Form eines Spritzpulvers, welches Material aus Komponenten M, Cr, Al, X und Sc besteht, wobei die Komponente M eine Ni-, Co- oder Co-Ni-Basis der Legierung MCrAlXSc bedeutet, die Komponente X eines der Elemente Y, Zr, Nb, Hf, Ta, Re oder ein Gemisch dieser Elemente ist und - relativ zum Gewicht des gesamten Materials - die Anteile für M im Bereich 50 - 75 %, für Cr im Bereich 20 - 25 %, für Al im Bereich 8 - 11 %, für X im Bereich 0 - 10 % und für Sc im Bereich 0.05 - 2 % liegen.

8. Verwendung eines beschichteten Bauteils in einer Maschine oder einem Apparat, wobei dieses Bauteil ein beschichtetes Substrat gemäss einem der Ansprüche 1 bis 6 bildet, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung dieses Bauteils während des Betriebs bei Temperaturen höher als 500 °C gegen Oxidation sowie andere Formen der Hochtemperatur-Korrosion schützt, dass insbesondere ein Schutz gegen ein gasförmiges, Wasser und Sauerstoff enthaltendes Medium besteht, wobei das Medium auch eine korrosive Chlor-, Schwefelund/oder Vanadiumverbindung enthalten kann und die korrosiven Komponenten auch in fester oder flüssiger Form auf der Oberfläche des Bauteils vorliegen können.

9. Verwendung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass bei Hochtemperaturbedingungen Leit- und Laufschaufeln einer Strömungsmaschine oder Bauteile eines Verbrennungsmotors bei Temperaturen von 500°C bis 1100°C geschützt sind.

10. Verwendung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Maschine eine Dampfturbine ist, die mit Frischdampf betreibbar ist, der eine thermodynamische Phase mit einem Druck und einer Temperatur grösser als 200 bar bzw. 500°C bildet.

Zeichnung