[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
it, 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 Vandium 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] Bauelemente, die für Gasturbinen bestimmt sind, werden beispielsweise mit Schutzschichten
versehen, die durch eine Legierung gebildet werden, die Nickel, Kobalt, Chrom, Aluminium
und Yttrium enthält.
[0007] Der Aluminiumanteil dieser Legierungen ist relativ hoch, während der Chromgehalt
recht niedrig ist, was zu einer geringen Korrosionsbeständigkeit führt. Dies ist ausschließlich
auf den niedrigen Chromgehalt zurückzuführen.
[0008] Schutzschichten, die aus den oben genannten Legierungen hergestellt sind, weisen
die Eigenschaft auf, daß sie unter Betriebsbedingungen insbesondere wenn sie einer
Temperatur von mehr als 900° ausgesetzt sind, auf ihrer Oberfläche eine aluminiumoxidhaltige
Deckschicht ausbilden. Durch das in der Legierung enthaltene Yttrium wird eine gewisse
Haftfestigkeit der Aluminiumoxiddeckschicht auf der Schutzschicht bewirkt.
[0009] Das Gefüge dieser Schutzschichten besteht aus einer Matrix, in die eine aluminiumhaltige
Phase eingelagert ist. Durch eine fortschreitende Oxidation kommt es zu einer raschen
Verarmung der oberflächennahen Bereiche an Aluminium. Dies führt zu erhöhter Anfälligkeit
der Schutzschichten gegen Korrosion.
[0010] Als weiterer Nachteil ist hervorzuheben, daß diese Schutzschichten nicht genügend
an den Grundwerkstoff der zu schützenden Bauelemente angepaßt sind. Eine Anpassung
ist insbesondere bei hohen Temperaturen so gut wie nicht vorhanden.
[0011] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Hochtemperatur-Schutzschicht aufzuzeigen,
die eine geringe Oxidationsrate besitzt, korrosionsbeständig ist, und zusätzlich an
die Grundwerkstoffe der Bauelemente auch bei hohen Temperaturen angepaßt ist.
[0012] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.
[0013] Eine weitere Lösung ist in Patentanspruch 10 offenbart.
[0014] Erfindungsgemäß wird durch einen Zusatz an Silizium die Haftfestigkeit der sich ausbildenden
metallischen Oxidschicht, insbesondere der sich ausbildenden Aluminiumoxiddeckschicht
erhöht, und hierdurch die Korrosionsbeständigkeit der Hochtemperatur-Schutzschicht
wesentlich vergrößert. Durch einen Zusatz an Zirkonium und Silizium zu einer solchen
Legierung wird die Oxidations- und Korrosionsbeständigkeit erhöht, wobei der Chromgehalt
sehr hoch gehalten werden kann. Die Menge des Zirkoniums, die der Legierung zugesetzt
wird, beträgt 0,2 bis 2 Gew.%, vorzugsweise 1 Gew % bezogen, auf das Gesamtgewicht
der Legierung. Die geringe Löslichkeit des Zirkoniums in einer Legierung auf der Basis
von Nickel führt zur Auscheidung von zirkoniumreichen Phasen. Eine solche Legierung
kann ggf. mit einer sehr kleinen Menge an Yttrium beispielsweise 0,1 bis 1 Gew.% bezogen
auf das Gesamtgewicht der Legierung oder auch ohne Yttrium eingesetzt werden.
[0015] Durch die Zugabe von Tantal zu der die Hochtemperatur-Schutzschicht bildenden Legierung
wird deren Oxidationsbeständigkeit erhöht, die Haftung der Oxidschicht verbessert
und hierdurch die Korrosionsbeständigkeit vergrößert. Das der Legierung zugeführte
Tantal liegt in der Matrix gelöst vor. Vorzugsweise werden der Legierung 0,5 bis 3
vorzugsweise 1 Gew.% Tantal zugesetzt. Bei einem Zusatz von Tantal kann ggf. auf den
Zusatz von Silizium verzichtet werden. Korrosionsbeständige Schutzschichten werden
jedoch in jedem Fall dann besonders gut erreicht, wenn neben dem Tantal der Legierung
auch Silizium beigefügt wird. Falls es die Gegebenheiten erfordern, können der Legierung
geringe Zusätze an Titan beigemischt werden. Die Menge sollte jedoch nur zwischen
0,1 und 2 Gew.% bezogen auf das Gesamtgewicht der Legierung liegen. Die Zusätze an
Silizium, Silizium und Zirkonium bzw. Silizium und Tantal ermöglichen es, daß die
Legierung einen sehr großen Chrom-, Aluminium- und Kobaltgehalt aufweisen kann. Bei
der erfindungsgemäßen Legierung kann der Chromgehalt zwischen 18 und 27 Gew.% der
Kobaltgehalt bis zu 20 Gew.% und der Aluminiumgehalt bis zu 12 Gew.% bezogen auf das
Gemsamtgewicht der Legierung betragen. Die Mengen an Chrom, Aluminium und Kobalt können
auch geringer gewählt werden. Hierdurch ist eine sehr gute Anpassung an das nickelhaltige
Grundmaterial der Bauelemente möglich. Das gleiche gilt auch für oxiddispersionsgehärtete
Legierungen, aus denen ebenfalls viele zu schützende Bauelemente gefertigt sind. Die
Verträglichkeit der Schutzschicht mit diesen Legierungen ist auch bei sehr hohen Temperaturen
gegeben. Vor allem können durch die geeignete Wahl der Chrom-, Aluminium- und Kobaltmengen
die bei hohen Temperaturen, insbesondere über 950 °C, auftretenden Interdiffusionseffekte
und die damit verbundenen Änderungen der Werkstoffeigenschaften deutlich gemindert
oder sogar vollständig beseitigt werden. Eine besonders vorteilhafte Hochtemperatur-Schutzschicht,
die sehr gute Oxidations- und Korrosionsbeständigkeiten besitzt, wird durch eine Legierung
gebildet, die 18 bis 25 Gew.% Chrom, 7 bis 12 Gew.% Aluminium, 0,5 bis 3 Gew.% Silizium,
0,5 bis 1 Gew.% Yttrium und 3 bis 15 Gew.% Kobalt aufweist, und deren restlicher Anteil
aus Nickel besteht. Zusätze an Titan kann diese Legierung in Mengen zwischen 0,1 und
2 Gew.% aufweisen. Die obigen Gewichtsangaben beziehen sich auf das Gesamtgewicht
der Legierung. Eine mit Tantal modifizierte Legierung, durch welche die Haftfestigkeit
der sich selbsttägig bildenden Aluminiumoxiddeckschicht besonders begünstigt wird,
enthält vorzugsweise 18 bis 25 Gew.% Chrom, 7 bis 12 Gew.% Aluminium, 0,5 bis 3 Gew.%
Silizium, 0,5 bis 1 Gew. % Yttrium, 1 Gew.% Tantal, 3 bis 15 Gew.% Kobalt. Der restliche
Anteil der Legierung ist Nickel. Auch diese Legierung läßt einen Zusatz an Titan in
Mengen zwischen 0,1 und 2 Gew.% zu, falls dieser Zusatz erforderlich sein sollte.
Eine Legierung zur Ausbildung der Hochtemperatur-Schutzschicht bei der ggf. auf das
Yttrium verzichtet werden kann, weist in ihrer Zusammensetzung vorzugsweise 18 bis
27 Gew.% Chrom, 8 bis 12 Gew.% Aluminium, 0,5 bis 3 Gew.% Silizium, 1 Gew.%, Zirkonium,
5 bis 20 Gew.% Kobalt und einen Anteil an Nickel auf, der den restlichen Bestandteil
der Legierung bildet. Alle Gewichtsangaben in den oben aufgezeigten Legierungszusammensetzungen
beziehen sich auf das jeweilige Gesamtgewicht der Legerierung.
[0016] Eine Hochtemperatur-Schutzschicht, die aus dieser Legierung gebildet wird, weist
eine chromreiche, aluminiumärmere Matrix mit hohem Volumenanteil an einer aluminiumreichen
Phase, sowie weitere Ausscheidungen mit hohem Zirkonium- und Siliziumanteil auf.
[0017] Alle hier beschriebenen Legierungen sind für die Ausbildung einer Hochtemperatur-Schutzschicht
geeignet. Gleichgültig durch welche der oben beschriebenen Legierungen sie gebildet
werden, entsteht in jedem Fall unter Betriebsbedingungen auf diesen Schutzschichten
jeweils eine Aluminiumoxiddeckschicht, die auch bei Temperaturen, die größer als
900 °C sind, nicht abgetragen werden.
[0018] Anhand eines Ausführungsbeispiels, das die Herstellung eines beschichteten Gasturbinenbauelements
beschreibt, wird die Erfindung näher erläutert. Es wird dabei davon ausgegangen, daß
das zu beschichtende Gasturbinenbauteil aus einem austenitischen Material, insbesondere
einer Nickel-Superlegierung gefertigt ist. Vor der Beschichtung wird das Bauelement
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 18 bis 25 Gew.% Chrom, 7 bis 12 Gew.%
Aluminium, 0,5 bis 3 Gew. % Silizium, 0,5 bis 1 Gew.% Yttrium und 3 bis 15 Gew.% Kobalt
aufweist. Der übrige Anteil der Legierung besteht aus Nickel.
[0019] Anstelle dieser Legierung kann auch eine Legierung verwendet werden, die 18 bis 27
Gew.% Chrom, 8 bis 12 Gew.% Aluminium, 0,5 bis 3 Gew.% Silizium, 1 Gew.% Zirkonium
und 5 bis 20 Gew.% Kobalt aufweist, wobei der restliche Anteil der Legierung Nickel
ist.
[0020] Mit dem Plasmaspritzverfahren kann auch eine Legierung aufgetragen werden, die 18
bis 25 Gew.% Chrom, 7 bis 12 Gew.% Aluminium, 0,5 bis 3 Gew.% Silizium, 0,5 bis 1
Gew.% Yttrium, 1 Gew.% Tantal und 3 bis 15 Gew.% Kobalt aufweist, wobei der übrige
Anteil der Legierung aus Nickel besteht. 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 Bauelemente wird im Ofen langsam abgekühlt. Seine Herstellung
ist nach dem Abkühlen beendet.
1. Hochtemperatur-Schutzschicht aus einer Legierung, die Nickel, Kobalt, Chrom, Aluminium
und meist auch Yttrium erhält, insbesondere für Bauelemente aus einem austenitischen
Werkstoff, dadurch gekennzeichnet, daß der Legierung wenigstens ein metallähnliches Element der vierten Hauptgruppe
als erster Zusatz beigemischt ist.
2. Hochtemperatur-Schutzschicht nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung
als ersten Zusatz 0,5-3 Gew.% Silizium bezogen auf das Gesamtgewicht der Legierung
enthält.
3. Hochtemperatur-Schutzschicht nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die Legierung als weiteren Zusatz ein Metall der vierten oder ein Übergangsmetall
der fünften Nebengruppe enthält.
4. Hochtemperatur-Schutzschicht nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung
0,5 bis 3 Gew%, vorzugsweise 1 Gew.% Tantal, bezogen auf das Gesamtgewicht der Legierung
als weiteren Zusatz enthält.
5. Hochtemperatur-Schutzschicht, nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die
Legierung 0,2 bis 2 Gew.%, vorzugsweise 1 Gew.% Zirkonium bezogen auf das Gesamtgewicht
der Legierung als weiteren Zusatz enthält.
6. Hochtemperatur-Schutzschicht nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,
daß die Legierung 0,5 bis 1 Gew.% Yttrium bezogen auf das Gesamtgewicht der Legierung
erhält.
7. Hochtemperatur-Schutzschicht nach einem der Asprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet,
daß die Legierung 18 bis 27 Gew.% Chrom, 7 bis 12 Gew.% Aluminium und 5 bis 20 Gew.%
Kobalt bezogen auf das Gesamtgewicht der Legierung enthält.
8. Hochtemperatur-Schutzschicht nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet,
daß die Legierung 18 bis 25 Gew.% Chrom, 7 bis 12 Gew.% Aluminium, 0,5 bis 3 Gew.%
Silizium, 0,5 bis 1 Gew.% Yttrium, 1 Gew.% Tantal und 3 bis 15 Gew.% Kobalt bezogen
auf das Gesamtgewicht der Legierung aufweist, und der restliche Anteil der Legierung
aus Nickel besteht.
9. Hochtemperatur-Schutzschicht nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet,
daß die Legierung 18 bis 25 Gew.% Chrom, 7 bis 12 Gew.% Aluminium 0,5 bis 3 Gew.%
Silizium, 0,5 bis 1 Gew.% Yttrium und 3 bis 15 Gew.% Kobalt bezogen auf das Gesamtgewicht
der Legierung enthält, und der restliche Anteil der Legierung Nickel ist.
10. Hochtemperatur-Schutzschicht aus einer Legierung, die Nickel, Kobalt, Chrom und
Aluminium enthält, insbesondere für Bauelemente aus einem austenitischen Werkstoff,
dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung 18 bis 27 Gew.% Chrom, 8 bis 12 Gew.% Aluminium,
0,5 bis 3 Gew.% Silizium, 1 Gew.% Zirkonium und 5 bis 20 Gew.% Kobalt bezogen auf
das Gesamtgewicht der Legierung enthält, und der restliche Anteil der Legierung Nickel
ist.