DE1521570B2

DE1521570B2 - Gegenueber oxidation, korrosion und erosion bestaendiger metallgegenstand und verfahren zu seiner herstellung

Info

Publication number: DE1521570B2
Application number: DE19661521570
Authority: DE
Inventors: Stanley George Colchester Conn Suyama Frank West Palm Beach Fla Berkley, (V St A)
Original assignee: United Aircraft Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 1965-08-16
Filing date: 1966-08-12
Publication date: 1973-02-01
Also published as: US3556744A; GB1150006A; FR1511571A; DE1521570C3; DE1521570A1

Description

Die Erfindung betrifft bei hohen Temperaturen Verbrennungsprodukten ausgesetzten, gegen Oxydation, Korrosion und Erosion beständige Metallgegenstände, insbesondere für eine Gasturbine, bestehend aus einem Körper aus einer dispersionsgehärteten Legierung, die Chrom, Nickel oder Eisen enthält, sowie einem Überzug aus einer überwiegend Chrom, Nickel und Aluminium enthaltenden Legierung sowie Verfahren zur Herstellung solcher Gegenstände.

Teile, wie Schaufeln und Flügel, die in Gasturbinen und bei verhältnismäßig hohen Temperaturen verwendet werden sollen, wurden bisher mit verschiedenen Schutzschichten überzogen, die die Eigenschaften und die Lebensdauer derartiger Schaufeln und Flügel stark verbessern. Die bisher bekannten Überzüge erwiesen sich jedoch als porös oder ergaben Ausplatzungen bzw. Absplitterungen auf einem ausscheidungsgehärteten Metall, wie TD-Nickel, so daß diese Überzüge bei langer dauernden harten Betriebsbedingungen keinen vollständigen Schutz gewährten.

Auch viele der ausscheidungsgehärteten Legierungen, die bei hohen Temperaturen, wie 1090° C oder darüber, überlegene mechanische Eigenschaften aufweisen, unterliegen bei normalen Betriebsbedingungen leicht der Oxydation, Korrosion und Erosion und können daher in ihrem normalen Zustand nicht erfolgreich verwendet werden. Es wurde daher bereits vorgeschlagen, diese Legierungen mit feuerfesteren Stoffen zu überziehen. Die bisher bekannten Überzüge waren zwar vorteilhaft, erwiesen sich jedoch bei langdauerndem schwerem Betrieb infolge der Porosität des Überzugs oder seiner Neigung zum Wegbrechen von der darunterliegenden Legierungsoberfläche, was als »Ausplatzen« bezeichnet wird, als unbefriedigend.

In der französischen Patentschrift 1 273 888 wird ein Verfahren beschrieben, um Legierungen auf Nickel- oder Kobaltbasis durch Behandeln mit Chrom- und Aluminiumpulver und Halogenid bei höheren Temperaturen mit einer Schutzschicht zu versehen. Bei dem Verfahren der französischen Patentschrift wird auf einen Körper aus einer ausscheidungsgehärteten Legierung in einem einzigen Verfahrensschritt ein Überzug aus einer Chrom-Aluminium-Legierung aufgebracht. Ein solcher Überzug schützt den Gegenstand jedoch nicht gleichzeitig vor Korrosion, Erosion und Oxydation. So

kann man beispielsweise mit einem solchen Überzug einen Schutz von Gasturbinen gegen Korrosion durch Schwefel nicht erreichen.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, metallische Teile aus dispersionsgehärteten Legierungen herzustellen, die gegen Oxydation, Korrosion und Erosion während des Betriebs bei verhältnismäßig hohen Temperaturen, die oft über 1200° C liegen, geschützt sind.

Der Erfindung liegt ebenfalls die Aufgabe zugrunde, ein neues und verbessertes Verfahren zu schaffen, um hochtemperaturfeste Legierungen mit Schutzüberzügen zu versehen, die es den überzogenen Teilen ermöglichen, der Einwirkung harter Umgebungsbedingungen bei erhöhten Temperaturen während verhältnismäßig langer Zeiten zu widerstehen.

Gegenstand . der Erfindung ist ein bei hohen Temperaturen Verbrennungsprodukten ausgesetzter, gegen Oxydation, Korrosion und Erosion beständiger Metallgegenstand, insbesondere für eine Gasturbine, bestehend aus einem Körper aus einer dispersionsgehärteten Legierung, die Chrom, Nickel oder Eisen enthält, sowie einem Überzug aus einer überwiegend Chrom, Nickel und Aluminium enthaltenden Legierung. Der erfindungsgemäße Metallgegenstand ist dadurch gekennzeichnet, daß der Überzug aus einer inneren Schicht einer festen Lösung von Chrom in Nickel, einer ersten Zwischenschicht aus einer Lösung von Aluminium und Nickel-Chrom, einer zweiten Zwischenschicht aus Ni₃Al und Chrom und einer äußeren Schicht aus NiAl und Chrom besteht und daß die Schichten durch Diffusion miteinander verbunden sind.

Gegenstand der Erfindung ist weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Metallgegenstandes. Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß der dispersionsgehärtete Legierungskörper in erster Stufe mit Chrompulver und einem Aktivierungsmittel, gegebenenfalls in Gegenwart eines inerten Füllstoffs, beschichtet und im Vakuum oder in Inertgasatmosphäre einer Diffusionserhitzung bei Temperaturen zwischen 982 und 1399° C unterworfen wird und daß danach der erhaltene, mit Chrom überzogene Körper in zweiter Stufe in eine in an sich bekannter Weise aus Aluminiummetall, Chrommetall, Aktivierungsmittel und gegebenenfalls inertem Füllstoff bestehende Pulvermischung eingebracht und im Vakuum oder in Inertgasatmosphäre einer zweiten Diffusionserhitzung bei einer Temperatur zwischen 538 und 1399° C unterworfen wird.

Die erfindungsgemäß überzogenen Teile aus dispersionsgehärteten Legierungen zeigen im Gebrauch bei Hüttentemperaturen und besonders unter erodierenden und korrodierenden Bedingungen verbesserte Eigenschaften.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann man Gasturbinenschaufeln und Gasturbinenflügel und andere Turbinenbauteile aus sogenannten dispersionsgehärteten Legierungen wie TD-Nickel mit verbesserten Eigenschaften herstellen, indem diese Schaufeln, Flügel oder Bauteile mit einem korrosions- und erosionsfesten Überzug versehen werden, so daß die guten mechanischen Eigenschaften von TD-Nickel und anderen Legierungen beibehalten und gleichzeitig die Oberfläche der Legierung vollständig gegen die korrodierende und erodierende Wirkung geschützt wird, der die Schaufeln oder Flügel im Gebrauch unterliegen.

Erfindungsgemäß bestehen Gasturbinenschaufeln und -flügel oder andere Teile, die den Verbrennungsgasen unter schweren Betriebsbedingungen hinsichtlich Temperatur und anderer Faktoren ausgesetzt sind, aus einer Legierung, die sich zur Verwendung bei verhältnismäßig hohen Temperaturen eignet, wie sie im Betrieb moderner Düsenmaschinen

ίο und Gasturbinen auftreten, und sind gegen übermäßige Korrosion und Erosion durch einen Mehrschichten-Überzug aus feuerfesten Stoffen geschützt, der fest an dem Teil haftet und dieses gegen korrodierenden und erodierenden Angriff der auftreffenden heißen Verbrennungsgase schützt.

Zu den Legierungen, auf die das erfindungsgemäße Verfahren angewendet werden kann und aus denen die erfindungsgemäßen Produkte hergestellt werden können, gehören Legierungen, wie TD-Nickel (eine Legierung, die 98'% Nickel und 2% dispergiertes Thoriumoxid enthält), andere Legierungen auf Nickelbasis, die im wesentlichen aus Nickel und 20% Chrom und 2°/o Thoriumoxid, aus Nickel, 15% Molybdän und 2% Thoriumoxid und aus Nickel, 2O°/o Chrom, 15°/o Molybdän und 2% Thoriumoxid bestehen und die alle dispersionsgehärtete Legierungen darstellen. An Stelle von Thoriumoxid können andere Härter, wie Aluminiumoxid oder Zirkonoxid, Titanoxid, Magnesiumoxid, Hafniumoxid und die Oxide der seltenen Erdmetalle verwendet werden.

Ferner sind dispersionsgehärtete Legierungen verwendbar, die im wesentlichen aus Nickel, Chrom und Thoriumoxid, Nickel, Molybdän und Thoriumoxid und Nickel, Chrom, Molybdän und Thoriumoxid bestehen und für die im folgenden einige Beispiele angegeben werden:

Nickel

Chrom

Molybdän ..
Thoriumoxid

78%	83%
20%	—
—	15%
2%	2%

63%

20%

15%

2%

Die Gesamtdicke der Doppelüberzüge gemäß der Erfindung liegt zwischen 2,54 X 10~^s und 2,54 X ΙΟ"² cm, vorzugsweise zwischen 2,54 X ΙΟ"³ und 12,7 X 10~³ cm. Vorzugsweise werden die Überzüge auf der Oberfläche der Legierung hergestellt, indem die gereinigten, aus der Legierung bestehenden Teile in eine Masse eines feinteiligen Materials eingesetzt werden, die aus dem Chrommetall, welches den Überzug bilden soll, und einer kleinen Menge eines Aktivierungsmittels und einem im wesentlichen inerten Füllstoff besteht. Danach werden das Legierungsteil und die Pulvermasse einer Diffusionserhitzungsbehandlung, vorzugsweise in. Wasserstoffatmosphäre bei einer Temperatur zwischen 982 und 1399° C oder unter dem Schmelzpunkt der Legierung (1454° C) beispielsweise 15 Minuten bis 72 Stunden, vorzugsweise etwa 2 Stunden bei 1316° C, unterworfen. Wenn die Legierung im Vakuum behandelt wird, kann der inerte Füllstoff aus der Packung weggelassen werden.

Statt die Schaufel oder den Flügel in eine Pulvermischung einzusetzen oder einzupacken, kann die Schaufel oder der Flügel gewöhnlich auch mit einem Chromüberzug versehen werden durch Eintauchen oder Besprühen mit einer wäßrigen Aufschlämmung

der gewünschten Chrompulver, so daß das Teil einen Überzug dieser Feststoffe erhält, worauf es getrocknet und dann der gleichen Wärmebehandlung im Vakuum oder in einer Atmosphäre ausgesetzt wird, wie beim Einsetzen in ein Pulverbett, gewöhnlich zusammen mit einem inerten Füllstoff.

Danach wird das Legierungsteil aus der Pulvermischung entnommen; alle lockeren Teilchen werden entfernt, und das Legierungsteil wird einem zweiten Überzugsverfahren in einer anderen Pulverpackung unterworfen, die aus feinteiligem metallischem Aluminium und feinteiligem metallischem Chrom zusammen mit einem inerten Füllstoff und einem pulverförmigen Aktivierungsmittel besteht, wobei das Teil wiederum einer Wärmebehandlung in einer inerten Atmosphäre, vorzugsweise in Wasserstoff, 15 Minuten bis 72 Stunden, vorzugsweise etwa 2 Stunden bei einer Temperatur von 538 bis 1399⁰C, vorzugsweise etwa 1149° C, ausgesetzt wird. Auch hier kann wiederum der inerte Füllstoff weggelassen werden, wenn die Behandlung" im Vakuum durchgeführt wird.

Als Chrompulver wird vorzugsweise feines, reines metallisches Chrom mit einer Teilchengröße verwendet, das einem Sieb mit einer lichten Maschenweite von 0,149 cm entspricht oder kleiner ist. Verunreinigungen, wie Schwefel und Kohlenstoff, die dazu neigen, die Ausbildung eines zusammenhängenden, festhaftenden Überzugs, der gegen Korrosion und Erosion bei hohen Temperaturen besonders widerstandsfähig ist, zu stören, sollten entfernt werden.

Als Aluminiumpulver wird ebenfalls vorzugsweise feinteiliges, metallisches Aluminium verwendet, das einem Sieb mit einer lichten Maschenweite von 0,149 cm entspricht oder kleiner ist und welches verhältnismäßig rein und praktisch frei von Schwefel und Kohlenstoff ist.

Das inerte Pulver oder Füllmittel besteht im allgemeinen aus feinteiligem Aluminiumoxid, obwohl auch andere inaktive, gepulverte Stoffe verwendet werden können, wie Zirkonoxid, Titanoxid, Ceroxid, Magnesiumoxid, Hafniumoxid und die Oxide der seltenen Erdmetalle.

Das pulverförmige Aktivierungsmittel enthält eine halogenabgebende Verbindung, wie Chromchlorid, -bromid, -jodid oder -fluorid, Natrium- und Kaliumchlorid, Kaliumfluorid, Ammoniumchlorid, -jodid oder -bromid in feinteiliger Form; vorzugsweise verwendet man pulverförmiges Material, das einem Sieb mit einer lichten Maschenweite von 0,149 cm entspricht oder kleiner ist.

Zwar wird eine Wasserstoffatmosphäre bei den Erhitzungsschritten bevorzugt, die Wärmebehandlung kann jedoch auch im Vakuum ausgeführt werden, vorzugsweise bei einem absoluten Druck von 10~³Torr oder darunter, oder in einer Atmosphäre aus Argon oder Helium.

Gasturbinenschaufeln und -flügel, die erfindungsgemäß überzogen wurden, weisen eine stark überlegene Korrosions- und Erosionsbeständigkeit im Vergleich zu nicht überzogenen Schaufeln und Flügeln sowie zu Schaufeln und Flügeln, die mit Chrom allein oder mit einem Doppelüberzug aus Chrom und Aluminium überzogen sind, auf. Außerdem treten bei den erfindungsgemäß überzogenen Flügeln und Schaufeln die katastrophalen Versager nach längerer Betriebsdauer nicht auf, die für viele der bisher bekannten überzogenen Schaufeln und Flügel charakteristisch sind.

Im folgenden wird die Erfindung an Hand einer bevorzugten Ausführungsform in Verbindung mit dem Überziehen eines im übrigen fertiggestellten Gasturbinenflügels beschrieben, der für einen Betrieb bei einer Temperatur von 1200° C und bis 1316° C geeignet ist.

Der fertiggestellte Flügel wird vorzugsweise aus TD-Nickel, einer Legierung, die aus 98% Nickel und 2% dispergierten Thoriumoxid(ThO₂)-Teilchen besteht, wobei die Thoriumteilchen kleiner als 1 μ sind und im Nickelgrundmetall im wesentlichen gleichmäßig verteilt sind, durch Schmieden geformt. Der Flügel bzw. die Schaufel kann auch durch Hartlöten oder Verschweißen einer Luftwiderstandsfläche aus TDN mit einer Plattform aus TDN oder einer anderen Superlegierungsgrundlage, wie einer Superlegierung auf Nickelgrundlage, hergestellt

werden. ■. ·

Die Überzugsmischung für den ersten Überzug,

der auf den Oberflächen der Schaufel niedergeschlagen werden soll, besteht aus einer Mischung von:

Bereich Gewichtsprozent

Bevorzugter Bereich

Optimum
°/o I g

Chrompulver

(0,149 cm oder feiner) *)

Pulverisierte Tonerde (Al₂O₃),
Wasserfreies CrCl,

2 bis

0,1 bis 150

350 bis 900
5 bis 20

17,5

81,0

1.5

150

700

10

*) Der Ausdruck »(0,149 cm oder feiner)« bedeutet hier und im folgenden, daß das Material einem Sieb mit einer lichten Maschenweite von 0,149 cm entspricht, d. h. durch ein solches Sieb durchgeht.

Die optimale Mischung ist besonders zur Verwendung im Vakuum oder in einer Wasserstoff- oder Argonatmosphäre und bei einer Temperatur zwischen 982 und 1371⁰C geeignet. Im allgemeinen kann der Chromgehalt der Packung bei höheren Temperaturen vermindert werden.

Diese feinteiligen Pulver werden gründlich gemischt, beispielsweise in einem V-Mischer, und zwar 15 Minuten oder langer.

Eine mit Glas abgedichtete Retorte, die zur Aufnahme der Schaufel bzw. des Flügels bestimmt ist, wird dann mit einer nicht zu geringen Schicht der Pulvermischung, gewöhnlich in einer Dicke von etwa 2,54 cm, versehen, worauf der Flügel in die Retorte gestellt und mit dem gemischten Pulver bedeckt wird, wobei alle Vertiefungen und Einbuchtungen im Flügel mit dem gemischten Pulver gefüllt werden und die an den Flügel angrenzenden Räume ebenfalls mit der Pulvermischung gefüllt werden.
Dann wird die Retorte verschlossen und in einen

elektrisch beheizten Muffelofen gebracht. Die Muffel wird mit Argon gespült, bis der Sauerstoffgehalt praktisch Null ist, worauf dem Argon-Spülstrom Wasserstoff zugesetzt wird. Nach wenigen Minuten wird der Argonstrom gestoppt und die Retorte und der Ofen für die Dauer der Wärmebehandlung weiter mit Wasserstoff versorgt.

Die Ofentemperatur wird dann auf die Diffusionstemperatur angehoben und im Bereich von 982 bis 1399° C oder dicht unter dem Schmelzpunkt der Legierung, vorzugsweise jedoch bei etwa 1316° C, für eine gewisse Zeitdauer, gewöhnlich 2 Stunden oder mehr, gehalten.

Im Laufe des Erhitzens, reagiert das Chromchlprid oder eine andere halogenliefernde Verbindung mit dem metallischen Chrom unter Bildung eines Metallhalogenide, welches sich zersetzt und eine Abscheidung von metallischem Chrom auf der FlügelobeffTäche in Form einer dünnen, zäh haftenden Schicht bewirkt. Die Dicke der abgeschiedenen Chromschicht schwankt zwischen 2,54X1O~³ und 7,62X Ip^-3 cm,"wobei je nach Behandlungsdauer und Temperatur eine Diffusion in das TD-Nickel unter Bildung einer festen Lösung von Chrom in Nickel oder einer Kombination von festen Lösungen von Chrom in Nickel und einer festen Lösung von Nickel in Chrom erfolgt.

Danach muß der Flügel mit einer dünnen, festhaftenden Schicht von mit Chrom modifiziertem Nickelaluminid versehen werden, was durch Behandlung des Flügels in einem Materialpulverbett in einer Retorte erfolgt. Das Materialpulver besteht aus einer Mischung folgender Bestandteile:

	Bereich %	Bevorzugter Bereich °/o	Opti mum g
Chrompulver (0,149 cm oder feiner) .......... Aluminiumpulver (0,149 cm oder feiner)	2 bis 98 2 bis 98	50 bis 99 2 bis 50	150 30

Diese Metallpulver werden mit einer Mischung von

pulverisierter Tonerde

Chromichlorid
(0,149 cm oder
feiner) ...;.....

gemischt.

2 bis 98

0,1 bis 10

Chrom und Aluminium liegen entweder in der Form einer Mischung von pulverförmigem Chrom und pulverförmigem Aluminium vor oder als pulverisierte Chrom-Aluminiumlegierung. In jedem Fall kann das Verhältnis von Chrom zu Aluminium zwischen 1: 99 und 99 :1 Gewichtsprozent schwanken, und in der Packung liegt der Chrom/Aluminiumgehalt vorzugsweise zwischen 2:98 und 98:2%, besonders bevorzugt etwa 20 Gewichtsprozent der Gesamtpackung.

Wenn die Konzentration der Metallpulver in der Packung vermindert wird, so wird bei jeder gegebenen Temperatur die Dauer der Wärmebehandlung für diejenigen Packungen verlängert, die niedrigere Metallpulvermengen enthalten.

Der Flügel wird mit einer weiteren Schicht der Pulvermischung bedeckt, und die Retorte wird geschlossen und in den elektrisch geheizten Muffelofen gebracht, wo sie auf eine Temperatur im Bereich von 538 bis 1399° C, vorzugsweise auf 1149° C, für eine gewisse Zeitdauer, vorzugsweise etwa 2 Stunden, erhitzt wird.

ίο Zu Beginn des Erhitzens wird die Muffel, die die Retorte enthält, mit Argon gespült, bis der Sauerstoffgehalt praktisch gleich Null ist, worauf dem Argonspülstrom Wasserstoff zugesetzt wird. Nach wenigen Minuten wird der Argonstrom gestoppt und Wasserstoff für die Dauer der Wärmebehandlung zugeführt. Nach Beendigung der Heizperiode wird der Wasserstoffstrom aufrechterhalten, bis der Flügel abgekühlt ist.

Man erhält so einen Flügel, der eine herausragend gute Oxydations- und Erosionsbeständigkeit aufweist, wie in einer unter Versuchsbedingungen betriebenen Gasturbine festgestellt wurde.

In ähnlicher Weise und unter Anwendung der vorstehend beschriebenen Verfahren können Teile, die aus anderen Legierungen bestehen, mit einem ersten Überzug aus Chrom und einem zweiten Überzug aus Chrom-Aluminium versehen werden. Das Teil wird dann in einer Wasserstoff- oder Inertgasatmosphäre oder im Hochvakuum, beispielsweise bei einem absoluten Druck von weniger als ί μ Quecksilber, auf Temperaturen in der Nähe von 1093° C oder darüber so lange erhitzt, bis der äußere Chrom-Aluminium-Uberzug in den inneren Chromüberzug diffundiert ist. Auf diese Weise wird eine Chrom-Aluminium-Überzugsschicht erzeugt, die über der inneren Chromüberzugsschicht liegt, welche wiederum an dem Flügel oder einem anderen, aus der Legierung hergestellten Teil festhaftet.
' Die Chromschicht und die Chrom-Aluminium-Schichten werden zwar vorzugsweise auf das Metallteil durch Einpacken desselben in eine pulverförmige Mischung der Metalle mit einem inerten Füllstoff aufgebracht; die Überzüge können jedoch weniger vorteilhaft auch hergestellt werden, indem die Metallpulver auf die Teile in Form einer wäßrigen Aufschlämmung gebracht werden, die vorzugsweise auf der Oberfläche des Teils trocknen gelassen wird, ehe das mit der Aufschlämmung überzogene Teil auf die zur Diffusion des Chroms oder Chrom-Aluminium in das Metallteil erforderliche Temperatur erhitzt wird. In der Zeichnung stellt

Fig. 1 eine schematische Schnittansicht einer mit . Glas abgedichteten Muffel dar, in die zur erfindungsgemäßen Behandlung ein Flügel gepackt wurde;

F i g. 2 stellt eine stark vergrößerte Schnittansicht der auf die Oberfläche eines Flügels aufgebrachten Schutzüberzüge dar;

F i g. 3 stellt eine ähnliche Ansicht einer modifizierten Form der auf einen Flügel aufgebrachten Überzüge dar;

F i g. 4 ist eine graphische Darstellung der bei einem Versuch unter gleichen Bedingungen an erfindungsgemäß behandelten Flügeln und an anderen Teststücken bei einer Versuchstemperatur von 1149° C erhaltenen Werte, und

F i g. 5 ist eine graphische Darstellung und zeigt die bei einem bei 1204° C durchgeführten Erosionsversuch erhaltenen Gewichtsänderungen bei einem

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erfindungsgemäß behandelten Flügel und einem nach der besten bekannten Methode überzogenen Flügel.

Fig. 1 der Zeichnung zeigt eine Retorte, in der die zu überziehenden Teile zum Überziehen eingepackt werden können. Man erkennt eine Schale 10, in die ein Retortendeckel 12 mit der offenen Unterseite so gestellt ist, daß sie auf der Schale 10 aufliegt. Der Retortendeckel 12 wird in umgekehrter Stellung teilweise mit dem Packungspulver 14 ge- ίο füllt, dann wird der Flügel oder ein anderes Teil 16, welches überzogen werden soll, in das Pulver gestellt, der Deckel 12 mit dem Pulver gefüllt und die Schale auf die offene Unterseite gestellt, worauf die verschiedenen Teile umgedreht und in die in F i g. 1 gezeigte Stellung gebracht werden. Der Raum zwischen dem Deckel 12 und dem Rand der Schale 10 wird dann mit feinteiligem Glas 18 gefüllt; dann wird die Retorte in eine Muffel ,gestellt und erst einem Argonstrom und dann einem Wasserstoffstrom ao ausgesetzt, solange das Erhitzen dauert. Die Glasteilchen bestehen aus Glas, welches unterhalb der Wärmebehandlungstemperatur von 982 bis 1399° C schmilzt, so daß beim Abkühlen rund um die Retorte ein dichter Abschluß gebildet wird, der es erlaubt, die Retorte und das Teil 16 außerhalb der Muffel abzukühlen, während das Teil 16 in einer inerten Atmosphäre gehalten wird. Durch Aufbrechen der Glasdichtung 18 kann das Teil 16 dann entnommen werden.

In F i g. 2 wird der Körper eines erfindungsgemäß beschichteten Teils gezeigt, wobei das Substrat mit einer größeren Geschwindigkeit verchromt wurde als das Chrom in das Nickel diffundiert mit dem Ergebnis, daß eine getrennte Schicht aus α-Chrom (kubisch raumzentriert) gebildet wurde, über der die Aluminium-Chrom-Mischung angebracht wurde. Der Körper des Teils besteht aus ausscheidungsgehärteter Superlegierung, wie TD-Nickel oder einer anderen Legierung auf Nickel-, Kobalt- oder Eisenbasis, und wurde danach erfindungsgemäß zuerst mit metallischem Chrompulver und dann mit einer Mischung von Chrom- und Aluminiumpulver behandelt. Die innerste Schicht besteht aus einer festen Lösung von Aluminium und/oder Chrom in flächenzentriertem, kubischem Nickel, darüber befindet sich eine Schicht aus einer festen Lösung von Aluminium und/oder Nickel in raumzentriertem, kubischem Chrom. Die nächstäußere Schicht besteht aus einer flächenzentrierten, kubischen, festen Lösung auf der Basis von Ni₃Al und Chrom, und die äußerste Schicht besteht aus einer raumzentrierten, kubischen, festen Lösung auf der Basis von NiAl und Chrom.

F i g. 3 zeigt den Körper eines erfindungsgemäß überzogenen Teils, bei dem das Chrom auf dem Substrat mit einer Geschwindigkeit abgeschieden war, die ungefähr gleich der Diffusionsgeschwindigkeit des Chroms in das Nickel war, so daß sich keine getrennte Chromschicht bildete.

Bei dieser Modifikation stellt die innerste Schicht eine feste Lösung von Chrom in Nickel dar, die nächste Schicht besteht aus einer festen Lösung von Aluminium und Nickel-Chrom. Die nächst äußere Schicht besteht aus Ni₃Al und Chrom, während die äußerste Schicht aus NiAl und Chrom besteht.

TD-Nickel und verwandte Legierungen werden eingehend in der USA.-Patentschrift 3 180 727 beschrieben.

In F i g. 4 wird gezeigt, daß TD-Nickelteile, die erfindungsgemäß mit einem ersten Überzug aus Chrom und einem zweiten Überzug aus Aluminium-Chrom behandelt wurden, keine wesentliche Gewichtszunahme oder -abnähme bei langer Betriebsdauer unter simulierten Maschinenbetriebsbedingungen aufweisen, wie Kurvet zeigt. Die Versuchstemperatur betrug 1149° C.

Nichtüberzogene Teile aus TD-Nickel zeigen eine wesentliche Gewichtszunahme, woraus sich ein erheblicher Oxydationsgrad ergibt, der zu einem eventuellen Versagen führt, was in Kurve B gezeigt wird.

In Kurve C wurden die Werte für Teile aufgetragen, die mit Chrom und einem zweiten Überzug aus Aluminium beschichtet wurden. Sie zeigen einen starken anfänglichen Gewichtsverlust, dann einen allmählichen Gewichtsverlust und schließlich ein katastrophales Versagen.

Etwas ähnlich, zeigen Teile, die mit einer dünnen diffundierten Chromschicht überzogen sind, anfänglich eine langsamere Erosionsgeschwindigkeit und dann ein plötzlicheres katastrophales Versagen, wie aus KurveD hervorgeht.

Die erfindungsgemäßen Teile bleiben dagegen praktisch intakt in Gebrauch ohne schwere Korrosion oder Erosion oder Oxydation und weisen eine brauchbare Lebensdauer auf, die weit über die der bekannten überzogenen Teile hinausgeht und unterliegen keinem katastrophalen Versagen.

In F i g. 4 sind die Gewichtsänderungen in V100 g gegen die Zeit in Stunden aufgetragen.

In einem anderen Versuch wurden erfindungsgemäß überzogene Teile aus TD-Nickellegierung mit ähnlichen, aber nicht überzogenen Teilen aus TD-Nickel verglichen.

In F i g. 5 zeigt eine ähnliche Gruppe von Kurven die Werte, die bei der Messung an TD-Nickelteilen erhalten wurden, die bei 1204⁰C Oxydations-Erosions-Versuchen ausgesetzt wurden. In dieser Figur zeigen die Kurven E und F die Gewichtsänderung in Zentigramm gegen die Zeit in Stunden aufgetragen. Kurve E gilt für ein Teil, welches mit einer Zusammensetzung überzogen ist, die für den besten, im Handel erhältlichen intermetallischen Überzug gehalten wird, während die Kurve F für einen Überzug gilt, der aus einer unteren Chromschicht und einer darauffolgenden Außenschicht aus Chrom-Aluminium besteht und erfindungsgemäß aufgebracht wurde.

Zwei nachgeahmte Luftwiderstandsflächen aus TD-Nickel, die aus 17,78 X 10~² cm Blech hergestellt und mit den Flügelhinterkanten verschweißt waren, wurden untersucht. Die eine war mit Chrom- und Aluminium-Chrom-Uberzügen beschichtet, die andere unbeschichtet. Der Behandlungszyklus bestand aus 35 Sekunden heiß, 25 Sekunden kalt. Die Versuchstemperatur betrug 1093⁰C. Die überzogenen Probestücke zeigten eine Thermoschockfestigkeit von 490 Zyklen gegenüber 280 Zyklen vor dem Versagen.
• Handelsüblich beschichtete Flügel aus hochfester Superlegierung auf Kobaltbasis in wirklicher Maschinenkonfiguration wurden in der Maschine untersucht unter Anwendung einer Turbineneinlaßtemperatur von 1038 und 1O93°C und mit Flügeln verglichen, die aus den erfindungsgemäßen Legierungen gebildet waren. Während der Versuche zeigten mit Instrumenten versehene Flügel, die den untersuchten

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Flügeln benachbart waren, an, daß im Bereich der Flügel Temperaturen von ungefähr 1260° C erreicht wurden.

Flügel A
Flügel B

Turbineneinlaß — Temperatur

1038⁰C Std.

71,49 89,69

1093° C Std.

40,39 50,76

Gesamtzeit

Std.

139,111 137,49

Nachdem die Schaufel oder der Flügel erfindungsgemäß behandelt wurden, weisen sie eine Außenschicht aus Aluminium-Chrom auf, die über einer Schicht aus einer Nickel-Chrom-Aluminiumlegierung liegt, die wiederum mit dem Grundmetall durch eine Nickel-Aluminium-Chromschicht verbunden ist. Die handelsüblich überzogenen Superlegierungsflügel mußten mit Luft gekühlt werden, um diese Temperaturen auszuhalten, während die beschichteten TD-Nickelflügel diese höheren Metalltemperaturen ohne Luftkühlung aushielten.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Bei hohen Temperaturen Verbrennungsprodukten ausgesetzter, gegen Oxydation, Korrosion und Erosion beständiger Metallgegenstand, insbesondere für eine Gasturbine, bestehend aus einem Körper aus einer dispersionsgehärteten Legierung, die Chrom, Nickel oder Eisen enthält, sowie einem Überzug aus einer überwiegend Chrom, Nickel und Aluminium enthaltenden Legierung, dadurch gekennzeichnet, daß der Überzug besteht aus einer inneren Schicht einer festen Lösung von Chrom in Nickel, einer ersten Zwischenschicht aus einer Lösung von Aluminium und Nickel-Chrom, einer zweiten Zwischenschicht aus Ni₃Al und Chrom und einer äußeren Schicht aus NiAl und Chrom und daß die Schichten durch Diffusion miteinander verbunden sind.

2. Metallgegenstand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper aus einer Legierung besteht, die aus mindestens 60⁰Io Nickel, 0,02 bis 20% dispergiertem, feuerfestem Oxid und zum Rest aus Eisen, Kobalt, Aluminium, Kupfer, Chrom, Molybdän, Wolfram, Titan, Tantal und/oder Rhenium besteht.

3. Metallgegenstand nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als dispergiertes, feuerfestes Oxid Thoriumoxid, Aluminiumoxid, Zirkoniumoxid, Titanoxid, Magnesiumoxid, Hafniumoxid oder Seltene-Erden-Metalloxide verwendet sind.

4. Metallgegenstand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Überzug eine Dicke zwischen 2,54 X 10~³ und 2,54 X 10~² cm aufweist.

5. Metallgegenstand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Überzug eine Dicke zwischen 2,54 X 10~³ und 12,7 X 10~³αη aufweist.

6. Verfahren zur Herstellung des Metallgegenstandes nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der dispersionsgehärtete Legierungskörper in erster Stufe mit Chrompulver und einem Aktivierungsmittel, gegebenenfalls in Gegenwart eines inerten Füllstoffs, beschichtet und im Vakuum oder in Inertgasatmosphäre einer Diffusionserhitzung bei Temperaturen zwischen 982 und 1399° C unterworfen, danach der erhaltene, mit Chrom überzogene Körper in zweiter Stufe in eine in an sich bekannter Weise aus Aluminiummetall, Chrommetall, Aktivierungsmittel und gegebenenfalls inertem Füllstoff bestehende Pulvermischung eingebracht und im Vakuum oder in Inertgasatmosphäre einer zweiten Diffusionserhitzung bei einer Temperatur zwischen 538 und 1399° C unterworfen wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß man bei der ersten Stufe eine Zusammensetzung verwendet, die enthält 2 bis 98 Gewichtsprozent Chrompulver, 2 bis 98 Gewichtsprozent Aluminiumoxid und 0,1 bis 10 Gewichtsprozent Chromtrichlorid.

8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß man bei der ersten Stufe eine Zusammensetzung verwendet, die enthält 17,5 Gewichtsprozent Chrompulver, 81,0 Gewichtsprozent Aluminiumoxid und 1,5 Gewichtsprozent Chromtrichlorid.

9. Verfahren nach Anspruch 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine Wasserstoffatmosphäre verwendet wird.

10. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Aktivierungsmittel Chrom-, Alkali- oder Ammoniumhalogenide verwendet werden.

11. Verfahren nach Anspruch 6, 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Vakuum von höchstens 10~³ Torr angewandt wird.