Bauteil mit Schutzschicht auf Nickel- oder Kobaltbasis

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Bauteil aus einem Grundwerkstoff auf Nickel- oder Kobaltbasis mit einer Schutzschicht gegen Oxydation, Korrosion und Thermoermüdung.

[0002] Hochtemperaturfeste Superlegierungen auf Nickel- oder Kobaltbasis wurden für den Einsatz im Turbinenbau entwickelt. Besonders hohen Belastungen ist dabei der Schaufelwerkstoff ausgesetzt, der nicht nur den hohen Temperaturen (über 950 °C) in der Turbine standhalten, son­dern auch eine hohe Kriechfestigkeit besitzen muß. Um eine hohe Kriechfestigkeit zu gewährleisten, wird besonders der Schaufelwerk­stoff aus Superlegierungen großkristallin und teilweise mit Kolumnar­struktur durch entsprechende Gieß- und Kristallisationstechniken ge­züchtet. Bei dieser Züchtung entstehen nachteilig für die Korrosions­beständigkeit Korngrenzenausscheidungen von leicht oxidierbaren Legie­rungszusätzen wie beispielsweise Vanadium oder Titan. Damit ver­schlechtern sich nachteilig die Oberflächeneigenschaften, wie Oxydations- und Korrosionsbeständigkeit, sowie die Thermoermüdungsbe­ständigkeit. Deshalb wurden Beschichtungen wie die MCrAlX,Y-Familie (Metall, Chrom, Aluminium, X = Seltene Erden, Y = Yttrium) entwickelt, die die Oberflächeneigenschaften durch ihren hohen Anteil an Chrom und Aluminium, die ihrerseits stabile Oxyde beim Betreiben der Turbine bilden, verbessern und über das seltene Erd-Metall die Haftung der Oxidschicht auf der Schichtoberfläche heraufsetzen. Nachteilig wirken sich Diffusionsvorgänge aufgrund der unterschiedlichen Konzentration beiderseits der Grenzschicht zwischen Schichtoberfläche und Beschich­tung aus, die zu Diffusionsporen im grenzschichtnahen Bereich führen, so daß die Schutzschicht bei Überlagerung von Thermospannungen an Stellen hoher Diffusionsporendichte abplatzt. Darüber hinaus neigen die MCrAlX,Y-Schichten nachteilig zur Thermoermüdung, da zwischen Grundwerkstofflegierung und MCrAlYX-Schicht ein Mißverhältnis im Wär­medehnungsverhalten vorliegt und die MCrAlX,Y-Schichten sehr duktil sind im Vergleich zum Grundwerkstoff.

[0003] Eine weitere technisch bekannte Lösung ist das Bilden von chrom- und/oder aluminiumreichen Diffusionsschichten an der Oberfläche des Grundwerkstoffes durch Pulverpackzementieren und/oder Gasdiffusionsbe­schichten. Derartige Schichten bilden oxydationsfeste Intermetallische Phasen mit dem Grundwerkstoff. Aufgrund der höheren Härte dieser Schichten mit Intermetallischen Phasen wird die Dauerschwingfestigkeit der Bauteile nachteilig bis zu 30 % herabgesetzt. Da das Wärmedeh­nungsverhalten nicht dem Grundwerkstoff angepaßt ist, besteht für das Bauteil eine hohe Mikrorißgefahr, die mit zunehmender Schichtdicke ansteigt. Deshalb muß die Schichtdicke nachteilig auf kleiner 100 µm begrenzt werden.

[0004] Bei den bekannten Beschichtungen werden die oxydations- und korro­sionsempfindlichen Komponenten des Grundwerkstoffes wie Vanadium und Titan vermieden und stabile Oxydbildner wie Aluminium bis beispiels­weise 20 % und Chrom bis beispielsweise 40 % zulegiert. Immer um­fangreicher und komplizierter wird dabei die Abstimmung der Zusammen­ setzung der Beschichtung auf die zu beschichtende Superlegierung auf Kobalt- oder Nickelbasis, um Haftungsprobleme zu überwinden oder Dif­fusionsvorgänge zu minimieren oder schützende stabile Oxide an der Oberfläche aufzubauen.

[0005] Aufgabe der Erfindung ist es, ein Bauteil aus einem Grundwerkstoff auf Nickel- oder Kobaltbasis mit einer Schutzschicht anzugeben, das eine höhere Thermoermüdungs-, Oxydations- und Korrosionsbeständigkeit bei Temperaturen über 800 °C aufweist, als Bauteile mit bisher bekannten Beschichtungen und das die Nachteile dieser Beschichtungen überwindet sowie ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Bauteils anzuge­ben.

[0006] Gelöst wird diese Aufgabe gattungsgemäß dadurch, daß Grundwerkstoff und Schutzschicht aus chemisch gleichem Werkstoff bestehen und die Schutzschicht wesentlich feinkörniger strukturiert ist.

[0007] Die Erfindung löst die Probleme und Nachteile wie sie im Stand der Technik bestehen, indem der Werkstoff des Grundmaterials für eine artgleiche Beschichtung eingesetzt wird, so daß Diffusionsvorgänge ausbleiben und Haftungsprobleme bei oxydfreier Oberfläche des Grund­werkstoffes nicht auftreten. Ein Abplatzen von Schutzschichtpartikeln wird hiermit überwunden.

[0008] Durch eine gleichbleibende Leigerungszusammensetzung im Kornvolumen wird vorteilhaft eine gleichmäßige stabile und schützende Oxidschicht an der Kornoberfläche beim Einsatz derartiger Bauteile im oxydierenden Heißgasstrom von beispielsweise Turbinen gebildet. Da die Korngrenzen dieser Beschichtung weniger Korngrenzenausscheidungen aufweisen als der Grundwerkstoff wird vorteilhaft die Korngrenzenkorrosion ver­mindert.

[0009] Der bevorzugte Korrosionsangriff an Korngrenzen und die damit ver­bundene Rißanfälligkeit wird durch die wesentlich feinkörnigere Struk­tur gegenüber dem Grundwerkstoff behindert, da sich vorteilhaft keine großflächigen Korrosionskerben ausbilden können.

[0010] Diese Vorteile tragen zusammen dazu bei, daß die Thermoermüdung derar­tiger Bauteile vermindert und die Korrosions- und Oxydationsbeständig­keit verbessert wird.

[0011] Die Artgleichheit des Beschichtungswerkstoffes mit dem Grundwerkstoff führt dazu, daß keine Wärmedehnungsunterschiede zwischen Schicht- und Grundwerkstoff auftreten und somit keine Thermospannungen induziert werden. Deshalb ist vorteilhaft die Schichtdicke nicht auf kleiner 100 µm begrenzt.

[0012] Vorzugsweise setzt sich der Grund- und Beschichtungswerkstoff aus folgenden Elementen zusammen:
13 bis 17 Gew. % Co
8 bis 11 Gew. % Cr
5 bis 6 Gew. % Al
4,5 bis 5 Gew. % Ti
2 bis 4 Gew. % Mo
0,7 bis 1,2 Gew. % V
0,15 bis 0,2 Gew. % C
0,01 bis 0,02 Gew. % B
0,03 bis 0,09 Gew. % Zr
Rest Ni

[0013] Diese Superlegierung ist unter dem Namen IN 100 im Handel, so daß sowohl Grundwerkstoff als auch Beschichtungswerkstoff kostengünstig zur Verfügung stehen.

[0014] Je feiner das Korn der Beschichtung strukturiert ist, um so gleich­mäßiger erscheint die Zusammensetzung des Kornvolumens und um so per­fekter bildet sich eine stabile einheitliche Oxidschicht von Chrom- und/oder Aluminiumoxiden im Betrieb aus. Deshalb ist das Kornvolumen der Beschichtung vorzugsweise um mindestens drei Zehnerpotenzen klei­ner, als das Kornvolumen des Grundmaterials.

[0015] Die Korngrenzen des bevorzugten Grundwerkstoffes IN 100 weisen titan- und vanadiumhaltige Korngrenzenausscheidungen auf, die instabile bzw. niedrigschmelzende Oxide bilden. Die Beschichtung hat deshalb vorzugs­weise weniger Ausscheidungen an den Korngrenzen als der Grundwerk­stoff, was vorteilhaft die Oxydations- und Korrosionsbeständigkeit verbessert.

[0016] Eine besonders bevorzugte Ausbildung der Schutzschicht besteht darin, daß die Schutzschicht eine Plasmaspritzschicht ist, die aufgrund der hohen Erstarrungsgeschwindigkeit vorteilhaft äußerst feinkörnig und ausscheidungsarm kristallisiert.

[0017] Weiterhin hat die Erfindung die Aufgabe, ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils nach Anspruch 1 anzugeben, was mit folgenden Ver­fahrensschritten gelöst wird:

a) Oberflächenpräparation durch ein Abtragen der Oberfläche des Grundwerkstoffs zur Verbesserung der Haftung,

b) Beschichten des Grundwerkstoffs mittels Plasmaspritzen mit Plasmaspritzmaterial in der chemischen Zusammensetzung des Grund­werkstoffes,

c) epitaktische Rekristallisation mittels Lösungsglühen bei Tempera­turen zwischen 1150 und 1250 °C,

d) Nachbehandlung der Oberfläche der Schutzschicht durch mechanisches Verdichten zur Glättung und Verfestigung der Oberfläche und/oder Diffusionsbeschichten zur Erhöhung der Oxydationsbeständigkeit.

[0018] Dieses Verfahren hat den Vorteil, daß es für die Massenproduktion geeignet ist.

[0019] Bei hohen Anforderungen an die Qualität der Beschichtung wird die Oberflächenpräparation durch ein Plasmaätzen mit einem Argonplasma durchgeführt. Diese Präparation hat den Vorteil der Kontaminations­freiheit und ist mit einem Niederdruck-Plasmaspritzprozess kompatibel, so daß an einem Bauelement mit einem Bestückungsvorgang, sowohl die Oberflächenpräparation als auch das Beschichten des Grundwerkstoffes erfolgen kann. Damit wird vorteilhaft die Qualität verbessert, da kein Umsetzen in eine weitere Anlage erforderlich ist und Verweilzeiten in Normal-Atmosphäre entfallen.

[0020] Bei hohen Anforderungen an die Wirtschaftlichkeit wird die Oberflä­chenpräparation mittels chemischen Abtrag durchgeführt, so daß vor­teilhaft ein hoher Durchsatz erzielt wird.

[0021] Eine abrasive Strahlbearbeitung wird vorzugsweise als Oberflächenab­trag eingesetzt, da sich mit diesem Verfahren vorteilhaft großflächige Bauteile wie beispielsweise Rotorscheiben für eine nachfolgende Be­schichtung präparieren lassen.

[0022] Die Beschichtung mittels Plasmaspritzen mit einem Plasmaspritzmaterial in der gleichen chemischen Zusammensetzung wie der Grundwerkstoff kann bei hohen Anforderungen an die Qualität im Niederdruckplasmaspritzver­fahren und bei großen Teilen und/oder hohen Anforderungen an die Wirt­schaftlichkeit mittels Plasmaspritzen unter Schutzgas erfolgen.

[0023] Ein optimales Anwachsen der Beschichtung auf dem Grundwerkstoff wird durch epitaktische Rekristallisation bei einer Lösungsglühtemperatur zwischen 1150 °C und 1250 °C erreicht. Dabei rekristallisiert im Über­gangsbereich zwischen Grundwerkstoff und Beschichtung die unterste Lage der feinkörnigen Beschichtung in gleicher Kristallorientierung wie die großvolumigen Kristallite des Grundwerkstoffs an der Beschich­tungsgrenze, so daß vorteilhaft eine intensive Verzahnung zwischen feinkörniger Beschichtung und grobkörnigem Grundwerkstoff entsteht, was die Haftung gegenüber herkömmlichen artfremden Beschichtungen wesentlich steigert. Anschließend kann mit 30 °C/min bis 80 °C/min das beschichtete Bauteil auf 1000 °C bis 800 °C abgekühlt und einer mehr­stufigen Auslagerungswarmbehandlung unterzogen werden.

[0024] Für gegossene Bauteile aus Superlegierungen auf Nickel- oder Kobaltba­sis hat sich vorzugsweise ein zweistufiges Auslagern zur Ausbildung eines geeigneten γ/γ′-Gefüges bei 1080 °C bis 1120 °C für 2 Stunden bis 6 Stunden gefolgt von 900 °C bis 980 °C für 10 Stunden bis 20 Stunden mit zwischenzeitlicher Abkühlung auf 750 bis 800 °C be­währt. Mit einer derartigen Warmbehandlung werden die Eigenschaften des Grundwerkstoffes regeneriert, die durch das Lösungsglühen verän­dert worden sind, und es werden vorteilhaft die Festigkeitswerte der Schicht angehoben.

[0025] Eine mechanische Nachbehanldung der Oberfläche der Schutzschicht ver­bessert die Härte durch vorzugsweise Kugelstrahlbearbeitung und dient der Oberflächenglättung. Die Glättung der Oberfläche kann auch durch Druckfließbearbeitung oder Gleitschleifbearbeitung erfolgen.

[0026] Eine Diffusionsbeschichtung als Nachbehandlung der Oberfläche, wie sie überlicherweise zur Erhöhung der Langzeitoxydationsbeständigkeit auf dem Grundwerkstoff aus Nickel- oder Kobaltbasis Superlegierungen ange­wandt wird, kann vorzugsweise auf der feinkörnigen Beschichtung erfol­gen. Damit ist der Vorteil verbunden, daß Tiefdiffusionen wie sie entlang der Korngrenzenausscheidungen des Grundwerkstoffes vorkommen, in der feinkörnigen Beschichtung mit weniger Korngrenzenausscheidungen nicht auftreten. Die Diffusionszone in der feinkörnigen Beschichtung wird damit vorteilhaft gleichmäßiger und homogener mit z. B. Aluminium oder Chrom dotiert, als es auf dem grobkristallinen Grundwerkstoff möglich ist. Dabei verbessert z. B. die Chromdotierung die Oxydations­betändigkeit bis Temperaturen von 850 °C und bewirkt gleichzeitig eine verbesserte Korrosionsbeständigkeit gegen Sulfidation. Die Alumi­niumdotierung z. B. erhöht die Oxydationsbeständigkeit bis zu Tempe­raturen von 1250 °C.

[0027] Die folgenden Anwendungsbeispiele für ein Bauteil und ein Verfahren stellen bevorzugte Ausführungen der Erfindung dar.

Beispiel eines Bauteils:

[0028] Auf einer grobkristallinen Turbinenschaufel aus IN 100 als Grundwerk­stoff, der sich aus folgenden Elementen zusammensetzt:
13 bis 17 Gew. % Co
8 bis 11 Gew. % Cr
5 bis 6 Gew. % Al
4,5 bis 5 Gew. % Ti
2 bis 4 Gew. % Mo
0,7 bis 1,2 Gew. % V
0,15 bis 0,2 Gew. % C
0,01 bis 0,02 Gew. % B
0,03 bis 0,09 Gew. % Zr
Rest Ni
befindet sich eine Niederdruckplasmaschicht gleicher chemischer Zu­sammensetzung, die ein 3 ·10³fach feineres Kornvolumen als der Grund­ werkstoff aufweist. Bei der Thermoermüdungsprüfung (Prüftemperatur 1050 °C) hält das beschichtete Bauteil einer dreimal höheren Tempera­turlastwechselzahl stand als der unbeschichtete Grundwerkstoff.

Beispiel eines Verfahrens

[0029] Ein grobkristalline Turbinenschaufel aus In 100 als Grundwerkstoff, der sich aus den folgenden Elementen zusammensetzt:
13 bis 17 Gew. % Co
8 bis 11 Gew. % Cr
5 bis 6 Gew. % Al
4,5 bis 5 Gew. % Ti
2 bis 4 Gew. % Mo
0,7 bis 1,2 Gew. % V
0,15 bis 0,2 Gew. % C
0,01 bis 0,02 Gew. % B
0,03 bis 0,09 Gew. % Zr
Rest Ni
wird mittels Argonplasmaätzen bei einem Druck von 2 kPa bis 4 kPa die Oberfläche des Grundwerkstoffs um durchschnittliche 0,5 bis 10 µm abgetragen.

[0030] Anschließend wird mittels Plasmaspritzen mit Plasmaspritzmaterial in der gleichen chemischen Zusammensetzung wie der Grundwerkstoff bei einem Druck von 4 kPa und einer Temperatur des Grundwerkstoffes von 900 °C für 120 Sekunden der Grundwerkstoff beschichtet.

[0031] Nach Ausbau der beschichteten Turbinenschaufel wird eine epitaktische Rekristallisation in einem Hochvakuumofen durchgeführt. Dazu wird das Bauteil auf einer Lösungsglühtemperatur von 1200 °C für 4 Stunden gehalten und mit einer Abkühlrate von 60 °C/min auf 800 °C abgekühlt.

[0032] Zur Regeneration der Festigkeitseigenschaften des Grundwerkstoffs und zur Anhebung der Schichtfestigkeit wird eine zweistufige Warmbehand­lung im Hochvakuum bei 1100 °C für 4 Stunden und bei 950 °C für 16 Stunden mit zwischenzeitlicher Abkühlung mit 60 °C/min auf 800 °C durchgeführt.

[0033] Nach Abkühlung auf Raumtemperatur wird das Bauteil in seiner Ober­fläche geglättet und verfestigt durch eine Strahlbearbeitung mit Zir­konoxydkugeln von 0,5 mm bis 1 mm Durchmesser.

Ansprüche

1. Bauteil aus einem Grundwerkstoff auf Nickel- oder Kobaltbasis mit einer Schutzschicht aus chemisch gleichem Werkstoff gegen Oxydation, Korrosion und Thermoermüdung, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzschicht wesentlich feinkörniger als der Grundwerkstoff strukturiert ist und die unterste Lage der feinkörnigen Beschichtung die gleiche Kristallorientierung wie die großvolumigen Kristallite des Grundwerkstoffes an der Beschichtungs­grenze aufweisen.

2. Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzschicht weniger Korngrenzenausscheidungen und eine gleichbleibendere Legierungszusammensetzung im Kornvolumen als der Grundwerkstoff aufweist.

3. Bauteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Grundwerkstoff und die Schutzschicht eine Zusammen­setzung von:
13 bis 17 Gew.% Co
8 bis 11 Gew.% Cr
5 bis 6 Gew.% Al
4,5 bis 5 Gew.% Ti
2 bis 4 Gew.% Mo
0,7 bis 1,2 Gew% V
0,15 bis 0,2 Gew.% C
0,01 bis 0,02 Gew.% B
0,03 bis 0,09 Gew.% Zr
Rest Ni
aufweisen.

4. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­zeichnet, daß die Schutzschicht ein um mindestens drei Zehnerpotenzen feiner Kornvolumen aufweist als der Grund­werkstoff.

5. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn­zeichnet, daß die Schutzschicht weniger Vanadium- oder Titanausscheidungen an den Korngrenzen aufweist als ein Grundwerkstoff mit gleichem Vanadium- oder Titangehalt.

6. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn­zeichnet, daß die Schutzschicht eine Plasmaspritzschicht ist.

7. Verfahren zur Herstellung eines Bauteils nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

a) Oberflächenvorbehandlung durch ein Abtragen der Ober­fläche des Grundwerkstoffs zur Verbesserung der Haftung,

b) Beschichten des Grundwerkstoffs mittels Plasmaspritzen mit Plasmaspritzmaterial in der chemischen Zusammen­setzung des Grundwerkstoffs,

c) epitaktische Rekristallisation mittels Lösungsglühen bei Temperaturen zwischen 1150^oC und 1250^oC,

d) Nachbehandlung der Oberfläche der Schutzschicht durch mechanisches Verdichten zur Glättung und Verfestigung der Oberfläche und/oder Diffusionsbeschichten zur Er­höhung der Oxydationsbeständigkeit.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Abtrag mittels chemischem Ätzen, Plasmaätzen oder abrasiver Strahlbearbeitung durchgeführt wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekenn­zeichnet, daß die Oberfläche der Schutzschicht mit eienr Verfestigungsstrahlbearbeitung und/oder Druckfließläpp­bearbeitung und/oder Gleitschleifbearbeitung durchge­führt wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch ge­kennzeichnet, daß die Oberfläche der Schutzschicht mit einer Diffusionsbeschichtung mit Aluminium und/oder Chrom nach­behandelt wird.