CH667469A5 - Verfahren zum aufbringen von schutzschichten. - Google Patents

Description

BESCHREIBUNG Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Aufbringen von Schutzschichten gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Ein solches Verfahren findet insbesondere bei der Fertigung von Bauteilen eine Anwendung, die aus oxiddispersionsgehärteten Superlegierungen hergestellt werden. Laufund Leitschaufeln sowie Wärmestausegmente von Gasturbinen werden aus diesen Legierungen bevorzugt gefertigt.

Die Herstellung von Bauteilen aus einer oxiddispersionsgehärteten Superlegierung beginnt mit der Herstellung des die Legierung bildenden Pulvers. Die Metalle bzw. Metallverbindungen, welche für die Pulverherstellung erforderlich sind, werden innerhalb einer Hochenergiemühle mechanisch legiert. Aus dem so gewonnenen Pulver werden zunächst Grundkörper durch Strangpressen hergestellt. Diese Grundkörper werden durch Schmieden, Walzen und/oder mechanische Bearbeitung zu den endgültigen Bauelementen weiter verarbeitet. Die für die Herstellung verwendeten oxiddispersionsgehärteten Superlegierungen enthalten als wesentliche Bestandteile Chrom, Aluminium, Titan, Molybdän, Wolfram, Tantal, Zirkonium, Bor, Nickel und Yttriumoxid.

Werden diese Bauelemente als Gasturbinenbauteile verwendet, so werden sie Temperatureinwirkungen von mehr als 600 Grad und korrosiven Einflüssen ausgesetzt. Aus diesem Grunde müssen sie mit einer Schutzschicht versehen werden, welche die Bauelemente vor Schwefel, Ölaschen, Sauerstoff, Erdalkalien und Vandium schützt bzw. die korrosiven Einflüsse dieser Stoffe verlangsamt.

Es ist bereits bekannt, solche Bauelemente aus oxiddispersionsgehärteten Superlegierungen durch das Aufbringen von MCrAlY-, NiCrAlY- oder CoCrAlY-Schutzschichten vor der Einwirkung korrosiver Stoffe zu schützen. Werden diese Bauelemente jedoch den Einwirkungen hoher Temperaturen ausgesetzt, was unter Betriebsbedingungen der Fall ist, so kommt es wegen auftretender Diffusionsprozesse, insbesondere im Grenzbereich zwischen dem jeweiligen Bauelement und der aufgetragenen Schutzschicht zur Porenbildung, und der Anreicherung und Agglomeration der in der Oberfläche der Bauelemente verteilten Yttriumoxidteilchen. Zu der nachteiligen Anreicherung und Agglomeration der Yttriumteilchen kann es auch schon bei der Beschichtung kommen. Hierdurch werden die Qualität der Beschichtung und die Haftungseigenschaften der Schutzschichten sehr stark beeinträchtigt und die Lebensdauer der zu schützenden Werkstoffe verringert, da es durch Porenbildung zum Abplatzen der Schutzschichten nach einer kurzen Zeit kommt.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde ein Verfahren aufzuzeigen, mit dem die Haftfestigkeit von Schutzschichten auf Bauelementen aus oxiddispersionsgehärteten Superlegierungen verbessert werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.

Erfindungsgemäss wird auf das zu schützende Bauelement ein Überzug aufgetragen, der aus einem dem oxiddispersionsgehärteten Legierungsmaterial artgleichen Werkstoffbesteht. Der Überzug wird vorzugsweise mittels Plasmaspritzen aufgebracht. Die Dicke des Überzugs wird so gross gewählt, dass Wechselwirkungen zwischen dem Werkstoff des Bauelementes und einer darauf aufgetragenen Schutzschicht unterbunden werden.

Um eine optimale Haftfestigkeit der Schutzschicht zu bewirken, kann anstelle eines Überzugs auch eine Wärmebehandlung der Oberfläche des Bauelementes vorgenommen werden. Zu diesem Zweck wird die zu schützende Oberfläche mit Hilfe eines Hochenergiestrahls, z.B. eines Laserstrahls oder Elektronenstrahls mindestens 0,3 bis 0,5 mm tief aufgeschmolzen.

Es besteht selbstverständlich auch die Möglichkeit das zu beschichtende Bauelement, und zwar seine zu schützende Oberfläche zunächst einer Wärmebehandlung zu unterziehen, und anschliessend mit einer Schutzschicht zu versehen. Die Wärmebehandlung, insbesondere das Aufschmelzen der Oberfläche bis zu der angegebenen Tiefe, führt zu einer deutlichen Agglomeration der Yttriumoxidteilchen im Bereich des aufgeschmolzenen Werkstoffs. Insbesondere kommt es durch das Aufschmelzen der Oberfläche zu einer Ansammlung der Yttriumoxidteilchen an bestimmten Stellen und zu einer unbeweglichen Einbettung der Teilchen in diese Schicht, so dass eine Störung der Diffusionsprozesse und die Porenbildung im Bereich der Diffusionszone ausgeschlossen ist.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Zeichnungen erläutert.

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Figur 1: Ein Bauelement aus einer oxiddispersionsgehärteten Legierung mit unbehandelter Oberfläche,

Figur 2: Ein Bauelement aus einer oxiddispersionsgehärteten Legierung mit wärmebehandelter Oberfläche.

Figur 1 zeigt ein Bauelement 1, das für eine Gasturbine bestimmt ist, im Schnitt. Das Bauelement 1 ist aus einer oxiddispersionsgehärteten Superlegierung gefertigt. Für die Herstellung des Bauelements wurde ein feinkörniges oxiddi-spersionsgehärtetes metallisches Material verwendet, das aus 13 bis 22 Gew.% Chrom, 2,5 bis 8 Gew.% Aluminium, 2 bis 4,25 Gew.% Titan, 0,4 bis 4,5 Gew.% Molybdän, 3,75 bis 6,25 Gew.% Wolfram, 0,1 bis 3 Gew.% Tantal, 0,02 bis 0,5 Gew.% Zirkonium, 0,01 bis 0,02 Gew.% Bor, 0,02 bis 2 Gew.% Yttriumoxid sowie Nickel besteht. Die angegebenen Gewichtsmengen beziehen sich auf das Gesamtgewicht der für die Herstellung des Bauelementes verwendeten Legierung. Es besteht selbstverständlich auch die Möglichkeit, eine Legierung zu verwenden, die eine etwas andere Zusammensetzung aufweist. Für die Herstellung des Bauelementes 1 wird zunächst aus der oben beschriebenen Legierung ein Grundkörper durch Strangpressen gefertigt. Aus diesem Grundkörper wird anschliessend durch Schmieden, Walzen und/oder mechanische Bearbeitung das in Figur 1 teilweise gezeigte Bauelement 1 hergestellt. Wie das Gefüge des Bauteils 1 zeigt, wurde dieses direkt und ohne weitere Behandlung mit einer Aluminiumschicht 3 überzogen. Während des Beschichtungsvorgangs ist Nickel aus dem Grundwerkstoff des Bauelementes 1 an die Oberfläche defundiert und hat dort mit dem Aluminium aus der Gasphase unter Bildung der intermetallischen Phase reagiert, insbesondere unter Bildung von NiAl. Die dabei entstandene Diffusionszone 2 zeigt eine grosse Porosität mit lokalen Anreicherungen 4, die überwiegend aus Yttriumoxid (Y1O3) bestehen.

Figur 2 zeigt ein aus der gleichen oxiddispersionsgehärteten Superlegierung gefertigtes Bauelement 1 im Schnitt. Seine Oberfläche wurde vor dem Aufbringen einer Aluminiumschutzschicht 3 wärmebehandelt, insbesondere durch die Einwirkung eines Hochenergiestrahls, vorzugsweise eines Elektronenstrahls bzw. eines Laserstrahls 0,3 bis 0,5 mm tief aufgeschmolzen. Bei der Beschichtung hat sich ebenfalls eine Diffusionszone 2 gebildet, die sich in ihrer Struktur deutlich von der in Figur 2 dargestellten Diffusionszone unterscheidet. In ihr fehlen lokale Anreicherungen 4 aus Y2O3. Der Aufbau der Diffusionszone 2 ist vergleichbar mit Diffusionszonen, die bei Y203-freien Superlegierungen gleicher Zusammensetzung unter vergleichbaren Beschichtungsbedingungen erzielt werden. Das Yttriumoxid ist durch die Wärmebehandlung, wie anhand von Figur 2 deutlich zu sehen ist, im Grundwerkstoff des Bauelements 1 und unterhalb der Diffusionszone agglomeriert. Durch diese Massnahme wird sichergestellt, dass das Yttriumoxid keinerlei Störungen auf den Schichtaufbau ausüben kann.

Es besteht selbstverständlich die Möglichkeit im An-schluss an die Wärmebehandlung einen oben beschriebenen Überzug auf das Bauelement 1 aufzubringen und dann die Aluminiumschutzschicht 3 aufzutragen.

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1 Blatt Zeichnungen

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1. Verfahren zum Aufbringen von Schutzschichten (3) auf Bauelemente (1) aus oxiddispersionsgehärteten Superle-gierungen, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche des Bauelementes (1) vor dem Aufbringen der Schutzschicht (3) einer Wärmebehandlung unterzogen und/oder mit einem Uberzug versehen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auf die Oberfläche des Bauelementes (1) ein Überzug aus einem dem oxiddispersionsgehärteten Legierungsmaterial artgleichen Werkstoff mittels Plasmaspritzen, chemischem oder physikalischem Niederschlagen aus der Gasphase aufgetragen wird.

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PATENTANSPRÜCHE

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass auf die Oberfläche des Bauelementes (1) ein Überzug aus einer dispersionsgehärteten Legierung aufgetragen wird, die 13 bis 18 Gew.% Chrom, 0,02 bis 6 Gew.% Aluminium, 0,02 bis 4,25 Gew.% Titan, 0,4 bis 4,5 Gew.% Molybdän, 3,75 bis 6,25 Gew.% Wolfram, 0,1 bis 3 Gew.% Tantal, 0,02 bis 0,5 Gew.% Zirkonium, 0,01 bis 0,02 Gew.% Bor sowie Nickel enthält, wobei die Gewichtsangaben auf das Gesamtgewicht der Legierung bezogen werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Überzug wenigstens so dick aufgetragen wird, dass Wechselwirkungen zwischen dem Werkstoff der Schutzschicht (3), und dem Werkstoff des Bauelements ( 1 ) unterbunden werden.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche des Bauelementes (1) bei der Wärmebehandlung mindestens 0,3 bis 0,5 mm tief aufgeschmolzen wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche des Bauelementes (1) mit Hilfe eines Hochenergiestrahls, vorzugsweise eines Elektronenstrahls oder eines Laserstrahls, aufgeschmolzen wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Wärmebehandlung die in der oxiddispersionsgehärteten Superlegierung des Bauelementes (1) enthaltenen Yttriumoxidteilchen im Bereich der Oberfläche des Bauelementes ( 1 ) neu verteilt, in der aufgeschmolzenen Zone agglomeriert und dadurch unbeweglich eingebettet werden.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Aluminiumschutzschicht (3) aufgetragen wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine NiCrAlY- oder eine CoCrAlY-Schutzschicht aufgetragen wird.