DE1558677A1 - Metallgegenstand zur Verwendung im heissen Teil eines Gasturbinentriebwerkes und Verfahren zum Herstellen desselben - Google Patents

Description

Metallgegenstand zur Verwendung im heißen Teil eines Gasturbinentriebwerkes und Verfahren zum Herstellen desselben.

Die vorliegende Erfindung bezieht sieh allgemein auf beschichtete Flugzeugtriebwerksteile, die aus hochwarmfesten Nickellegierungen hergestellt sind, sowie auf Verfahren zu deren Herstellung. Die Erfindung sieht die Anordnung eines JchutzUberzugss auf diesen Teilen vor, und zwar nicht nur, um deren Widerstandsfähigkeit gegen Oxydationserosion bei Triibwerksbetrlebstemperaturen über 1093° C zu verbessern, sondern auch um ihre Teniperaturwechselfestigkeit und Zeitstandsfestigkeit zu verbessern, indem die Diffusion zwischen dom Metall der Unterlage und dem Beschichtungsrnaterial wesentlich verringert wird. ·

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Gernäß der vorliegenden Erfindung werden die einer Beschädigung durch die Hitze ausgesetzten Triebwerksteile durch einen MetalIspritzvorgang mit einer Beschichtung aus einem Palverganisch versehen, das im wesentlich aus 60 - 90 Gew.->j Aluminium und 10 - 40 Gew.-/6' Wolfram besteht. Nach einer geeigneten Diffusionswärmebehandlung bildet sich auf den Triebw-rksteilcn durch Entstehung eines aluminiumroiehen, abgcwan-

BAD ORIGINAL - ^] ~

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olt'-ic Yi el fraj:¹ enthalten lon 7\:X jchennetall: -in.. h⁵rte,

sfeote -Trriere, lurch ^!ie lic LebensHu«r oder jtan-izcit ler Teile ". o:-;!.;nt.i ich ve rl ändert wird, chne -iai3 die vorteilhaften mecnanisehen .!!Igenschafton -'er Nickellegierungen beeinträchtigt werden. ^r)-:.·..^ /orharrl-n-rein 'iv~ ho bücher¹ /,OIf rai-imeng;-·η in Mischkriotallfor"· ( ;oli' solution: ein ho.::ogenriT, >:rijtallir.:·-: Mat.^riil ,;iit zv.'oi oicr r.rjhr jt. bo tan 2 on in ve ran Wrlichon ?.·- ^ oztionen") in -lsr forti^en B."j schichtung li^fort ο inc .irk" ■:. ο 'Hffu^icn^barrior^., ■lurch lio -Hg <y an-le rung von \ vur.iniu:.-. in 1ε-. My tall l'ii* Unterlage ;m! -!ie Diffusion von Uickel ^u.r Bo."iohlchtungooborflächo deutlich verringert .vorTen.

I."i Ga:3turbinentriebv;erk3bau v/erJen vielfältig!, hochv/ar'nfe.jtc "Iickell3gl3rungen im groi3en U;..fang verwendet, '.veil .-si3 unter Belastung büi 'lan währen;! .les Betriehea IiGser Tri'ei..:orke auftretenion hohen Temperaturen hervorragende mechanische eigenschaften haben. Sie sind 1.:; allgfen:einen jf-j'loch nicht ausreichen'' ■ji lerotan-lof ähig gegen 0;-:_tyiation, im eine angemessene Lebensdauer des Triebwerke:;; und einen angebe3sener. Zeitabstand zwischen zwei erforderlichen Überholungen zugewährleisten, wenn oie nicht mit einem geeigneten Oberflächenschutz versehen v/erden. Man hat daher selbst bei ni--= Irigeren Triebwerksbetriebatensperaturen Beschichtungen verschie iener Art auf den Nickel-,legierungseiet-.enten verwendet, die Jen heißen, erodierenden Triebverk.ogasen ausgesetzt sind.

Zahlreiche Beschichtungen wurden vorgeschlagen und in der In- :lU3trie vervrendet, ui:i den gewünschten Schutz zu erzielen; Bei-

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spiele für derartige Üeschichtungen sind in den USA-Patenten j>, 129,06« und 2,102,0Vi beschrieben. Diese "JeSchichtungen wurden zu einer Zeit konzipiert und entwickelt, als die Triebv/erksbetriebstemperaturc-n iv.<. heißen Teil der Triebwerke irr. allgemeinen maximal 10^"c; C Lotrugon. Vom .Standpunkt der Wirtschaftlichkeit, Leistungsfähigkeit und V/irkungsweise der Triebwerke her v;ar 05 immer schon wünschenswert und wurde es in neuerer Zeit notwendig, die Betriebswert·= der Triebwerke 2u erhöhen; infolgedessen werden heute "Dauerbetriebster-ipera-turen von etwa 11'JQ⁰C vorgeschrieben. Diesen Betriebstemperaturen genügen die bekannten Besohiehtungeh und Verfahren nicht mehl-.

VMe oben bereits ausgeführt wurle, konnte man die bisherigen Verfahren zur Erhöhung der V,^?ideivstand3fähi£k<>-it von Nickellegierungen gegen Oxydation nur bei Tor..pernturen bis zv etwa 1.0;^i°C anwenden, wenn inan von zufälligen, vorübergehenden Überschreitungen dieser Temperatur ir/. Triebwerk absieht. Bei einer Temperatur von etwa 109J=⁰C beginnen Nickel und Jessen Legierungen eine st^r^e Neigung zur Legiarung r.iit ien reiften der üblichen Dcsehichtungsrnaterialien und insbesondere :::it ■"·'u.Tiiniu;.-. zu zeigen. Infolrgeiessen .sinkt Jie AZu::".iniurnbe3chiclitung in las Nickel ein, so daß las Aiu.iir.iun an ier frei liegervien oberfläche des Geg.3n.3tan.ies schnell vor sch".·.· in let und folglich las Metall der Unterlage 'Verunreinigt" wir!.

23 liegt auf :1er Ilani, daß infolge Ie-¹ Diffusion ^ :isehen ier Beschichtung und la::: Γ-l·:-tall der Unterlage die "ic^nschaftor.

der !"-c-sw*"ic"'it6tt;^ji Ivj-~i3ruii-^r ^u" "λτ-χ ^■"■j ¹^ 'rüoin⁴jrü.2h*"i:Tt ..'erdei"!

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Einerseits ändert sich die Zusammensetzung des Metalls der Unterlage, wenn das Beschichtungsrnaterial In diese hineinwandert, v.'as normalerweise zur Folge hat, daß sich die physikalischen Eigenschaften der Legierung verschlechtern. Versuche mit Triebwerken haben beispielsweise ergeben, daß Ee-'schichtungen aus unmodifiziertem Aluminium auf aus Nickellegierungen bestehenden Turbinenflügeln der ersten Turbinenstufe innerhalb von nur 20 Stunden vollkommen durch den dünnen, .an der Hinterkante liegenden Teil der Flügel diffundierten, so daß lie Hinterkanten der Flügel vorzeitig ausfielen. Das Problern ist so ernst, daß man es als Zwischenlösung vorgezogen hat, diesen Teil der Turbinenflügel lieber unbeschichtet zu laaien als die Festigkeitsverluste in Kauf zu nehmen, die sich durch die "Verunreinigung" des Metalls der Unterlage ergaben. Andererseits verschwindet das Aluminium durch die Diffusion schnall von der 0 erfläche des Gegenstandes und wird durch andere Legierungskomponenten ersetzt, die nicht unbedingt eine ausreichende Widerstandsfähigkeit gegen Oxydationsoroojon haben, so daß die Jehutzfunktion deα Überzuges bald ver3 oren geht und unter der V.'irkung 1er Triebwerksgase die ' .ürooion durch Oxydation wieder auftritt. Darüberhinaus werden die anderen, die Oberfläche betreffenden physikalischen Eigenschaften, Viii etwa die Temperaturwechselfestigkeit und die Zeitstandfestigkeit, leutlich verringert.

Die vorliegende ISrfiniurig soll beschichtete Triebwerksteile auo TMcicellegierungen schaffen, die höheren Triebwerksbetriebsterr.paraturen standhalten können, als die derzeit gebräuchlichen Teile, /.cbei •.;e1«=r Uo Widerstandsfähigkeit der Teile gegen irc-icn iuroh O;ryJiti-:n noch die irrech-inisc^.on Qualitäten -'«g

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BAD OB5GSr4AL - " "

Metalls der Unterlage beeinträchtigt werden sollen. Die beschichteten Triebwerksteile aus Nickellegierungen haben eine bessere Beschichtung, wobei die Diffusion zwischen dem Metall der Unterlage und dem Beschichtungsmaterial wesentlich verringert ist, so daß die Beschichtung auch auf denjenigen Triebwerksteilenangewendet werden kann, die im Betrieb Dauerbetriebstemperaturen von mehr als 1093 C ausgesetzt sind. '■..■'

Die Plugzeugtriebwerksteile eignen sich zur Verwendung in einer heißen, oxydierenden Umgebung, da sie eine Oberflächenbeschichtung aufweisen, die im "wesentlichen aus einer aluminiumreichen, ^modifiziertes Wolfram enthaltenden Legierung in Kombination mit den verschiedenen Elementen des.Metalls der Unterlage besteht.

Die vorliegende Erfindung schafft auch Verfahren, um die beschichteten Nickellegierungen widerstandsfähig gegen Diffusion zu machen.

Weitere Aufgaben., Merkmale und Vorteile der vorliegenden Er- , findung ergeben sich aus der folgenden Einzelbeschreibung oder bei der praktischen Anwendung der Erfindung. ■

Zur Erläuterung der Erfindung und ihrer grundlegenden Vorteile wird in der folgenden Beschreibung auf die beiliegenden Zeichnungen Bezug genommen, in denen zeigt:

Pig* 1 ein 1000fach vergrößertes Schilf ffbild der erfindungsgemäßen Beschichtung auf einer Nickel-

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legierung, bevor iiozo unter hoher Temperatur einer oxydierenden Umgebung ausgeh-it ^t wurde.

Fig. 2 sine vereinfachte, ochematische Dastellung der Beschichtung, nachdem die.30 in einer oxydierenden Atmosphäre Temperaturen von 1149°C ausgesetzt worden ist.

Fig. j> zeigt in einem Diagramm die Ergebnisse von Oxy-

dationserosionsversuchen be'i 1-149°C mit beschichteten Turbinenflügeln gemäß der vorliegenden Erfindung und zum Vergleich entsprechende Versuche sowohl mit beschichteten als auch mit unbeschichteten Teilen.

Zur Erzeugung einer Schutzschicht auf Nickellegierungen und folglich zur Erzielung der gewünschten Widerstandsfähigkeit gegen Erosion durch Oxydation sowie der gewünschten Temperaturwechselfestigkeit empfiehlt sich das folgende, bevorzugte Verfahren.

Die zu beschichtenden Oberflächen v/erden gründlich vorbereitet, um eine geeignete Oberfläche zu schaffen, mit der die Beschichtung auf metallurgische Weise verbunden werden kann. Zur Entfernung grober Verunreinigungen der Oberfläche wendet man ein "Sand"-Strahlgebläse mit Aluminiumoxydgrieß (25O Mikron) an. Im Anschluß hieran wird die Oberfläche gründlich gereinigt, um allen Schmutz, Grieß, alles öl, Fett, alle Farben und alle sonstigen Fremdstoffe zu beseitigen. Ein kräfter Wasserstrahl, Lufttrocknung oder ein Luftgebläse mit öl- und wasserfreier

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ßAD ORIGIN*¹

Luft und eine Acetonspülung haben sich hiefür als geeignet erwiesen. In. einigen Fällen genügt eine, einfache Entfettung, während es sich in anderen Fallen als vorteilhaft erwiesen hat, eine Säure oder ätzende Beizbäder zu verwenden. Jedenfalls liefert die obige Vorbereitung eine von Verunreinigungen freie Oberfläche, auf die das Beschichtungsmaterial aufgebracht werden kann und an der die Beschichtung gleichmäßig haftet. -

Im Anschluß an die Reinigung wird ein gründlich gemischtes Pulver, das im wesentlichen aus 60 - 90 Gcw.-£ Aluminium und 10 - >iO Gew. -$ Wolf ram oder vorzugsweise 68 -72 Gew.-ρ Aluminium und 2Ö - ;ä Gew.-;! Wolfram besteht, mit einer Dicke· von 0,101 - 0,127 nun gleichmäßig auf die Oberi\fäche aufgetragen. Wegen der v,*ei ten .Streuung 1er Schmelzpunkte erfolgt die Auftragung normalerweise mit einem KetallGpritzverfahren, d.h. das Pulver wird unter Anwendung von Hitze aufgespritzt oder . aufgesprüht.

Die Pulver vierien normalerweise unmit telbar vor der Anwendung des MetalIsprlt£\*erfalirens gemischt, Ur. zu verhüten, -iaß die Bestanlteile de? Pulvers eiph irr: Vorratsbehälter viegen ihrer unterschiedlichen Korngröße und Dichte voneinander trennen. Da gemäß der obigen ausführlichen Erörterung die Schutswirkung der .Boschichtung weitgehend von der gloiehnräßigen Verteilung des Wolframs abhängt, kann durch eine 3chientbildung der Pulver in dem die 3prühiüse speisenden Zufuhrtrichter die V/iricuna d^s Verfahrens t^ein^rächtigt werden.

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Das Metallspritzverfahren wird im wesentlichen so durchgeführt, als würde nur Aluminiumpulver angewendet, und daher werden die entsprechenden Meßgrößen bei der Durchführung dieses Metallspritzverfahrens entsprechend gewählt. Befriedigende Ergebnisse erzielt man mit einem Acetylengasdruck von 0,7 kg/cm , mit einem Sauerstoff druck von 1,05 kg/cm und einem Luftdruck von 4,22 kg/cm in einer "Wall Colmonoy Model C-2 Power Metal Spray Gun" oder dergleichen.

Während man im allgemeinen sagen kann, daß die Beschichtung um so gleichmäßiger wird, je feiner die Partikel sind, ist es im allgemeinen vorzuziehen, die Pulverpartikelgröße des Aluminiums zwischen kj> - 147 Mikron (-100 und +325 Tyler 3tandard Mesh) zu halten. Wenn die Aluminiumpartikel zu fdn sind, gelangt zu viel Oxyd, das als dünne Schicht auf jedem Partikel vorhanden ist, in die Beschichtung und durch das Vorhandensein dieses Oxyds in zu großen Mengen wird die anschließende Reaktion zwischen den Komponenten beeinträchtigt, die erwünscht ist und während der anschließenden Hitzebehandlung stattfindet. Andererseits sollen die Pulverpartikel, sie oben bereits erwähnt, zur Erzielung einer möglichst gleichmäßigen Besdiichtung, so klein wie möglich gehalten v/erden, ohne daß in der erwähnten Weise zu viel Oxyd eingeschlossen wird.

Das Wolfram, das in dem Pulvergemisch vorzugsweise in einer Menge von etwa JO Gew.-^ vorhanden ist, hat vorzugsweise eine Partikelgröße von 1 - 5 Mikron. Die Partikelgröße des Wolframs wird klein gehalten, um einen späteren Legierungsvorgang

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zwischen dem Beschichtungsmaterial und dem Metall der Unterlage zu erleichtern, und zwar zu einem Zeitpunkt, wo das Wolfram in Mischkristall zustand übergeht. Ein weiterer Grund dafür, die Partikelgröße des Wolframs gering zu halten, liegt in der großen Verschiedenheit der Schmelzpunkte von Aluminium und .Wolfram. Bei den während des Metallspritzyorganges für Aluminium angewendeten Zuständen wird Wolfram nicht geschmolzen; daher muß das Aluminium als Träger für das Wolfram wirken, so daß dieses durch Einschluß in das Aluminium; gleichmäßig über die zu beschichtende Oberfläche verteilt wird. - ; ■.-"'._

Aus praktischer Sicht heraus bevorzugt man im allgemeinen die Anwendung der Metallspritzverfahren zum Aufbrin^ri der rohen Beschichtung auf die zu schützende Oberfläche. Es liegt Jedoch auf der Hand, daß es. für die erstrebte Schutz- ι funktion der Beschichtung und insbesondere für deren Wirkung als Diffusionsbarriere verhältnismäßig uninteressant ist, mit welchem Verfahren die Beschichtung aufgetragen wird, solange die Oberfläche mit einer gleichmäßigen Dispersion aus Wolfram· und Aluminium in den'angegebenen Gewichtsbereichen , versehen wird. . ; ".

Die Aufbringung der rohen Beschichtung auf die zu schützende \ Oberfläche "bis zu einer Dicke von 0,101 - 0,127 mm hat sich * für die meisten Fälle einschließlich der Anwendung dieses Verfahreno bei Gasturbinentriebwerksteilen als befriedigend erwiesen. Man beachte jedooh, daß diese Besehichtüngsdicke im allgemeinen etwas größer ist als die bei anderen Verfahren ■;· ,' ^:■..; ■'■;.-■ --·■■' .-.; . . BADORSGiNAL _ 9 , !

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gev/öhnlich bevorzugte Schichtdicke für die gleiche Umgebung und Standzeit, wenn man von der Temperatur absieht, der die Teile ausgesetzt werden. Die jeweils aufgebrachte Schichtdicke ist nicht unbedingt kritisch. Selbstverständlich muß die Schichtdicke ausreichen, um auf dem Teil für dessen zu erwartende Lebensdauer die gewünschte Oxydationsbarriere aufrechtzuerhalten, wobei man berücksichtigen muß, daß während des Einsatzes des Teils nach und nach eine Oxydation und Erosion stattfindet. Andererseits ist es im allgemeinen vorteilhaft, die Beschichtung unter Berücksichtigung eines entspreachenden Sicherheitsfaktors nicht dicker zu machen, als es zur Erzielung der gewünschten Schutzfunktion erforderlich ist. Durch das Beschichtungsmaterial wird.zwangsläufig das Gewicht der Anlage vergrößert, in der das Teil verwendet wird, und wenn diese Schichtdicke auch gering ist, so wird die Beschichtung doch auf vielen Teilen aufgebracht und kann insgesamt einen erheblichen Gewichtszuwachs bedeuten.

Im Anschluß an den Metallspritzvorgang werden die beschichteten Teile einer Diffusionshitzebehandlung unterzogen um eine Nickel-Aluminium-Legierung , Nickel-Aluminid (NiAl) auf der Oberfläche des Gegenstandes zu bilden, das Wolfram in Mischkristallform zu verteilen und die Beschichtung mit der Unterlage metallurl|gsch zu verbinden. Im Falle von Nickellegierungen wird die Diffusionshitzebehandlung bei einer Temperatur, zwischen 1066 C und dem Schmelzpunkt des Metalls der Unterlage in einer keine Verunreinigungen verursachenden Atmosphäre aus Wasserstoff, trägem Ga3 oder im Vakuum lange, genug durchgeführt, um die Aluminium-Nickel-Legierung zu bilden. Die Hitzebehandlung findet vorzugsweise bei einer Temperatur zwischen 1066 und 1093°C in

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einer Wasserstpffatmosphäre vier Stunden lang statt.

Im Anschluß an die Hitzehehandlung werden die aushärtbaren Legierungen gewöhnlich innerhalb von 23 Minuten oder weniger in einer Wasserstoffatmosphäre oder in einer anderen, keine Verunreinigungen verursachenden Atmosphäre auf unter 482⁰C abgekühlt. Nach der Abkühlung auf Raumtemperatur wird ein eventUeir^orhandener, durch die Hitzebehandlung entstandener loser· Oxydfilm durch einen kräftigen Wasserstrahl entfernt. ·

Die nach dem oben beschriebenen Verfahren beschichteten Teile wurden einer gründlichen Analyse uni umfangreichen Versuchen unterzogen, wobei verschiedene Nickellegierungen verwendet wurden.

Eine der hervorragenderen Legierungen hatte folgende Zusammensetzung: 0,15- 0,2 Gew.-% Kohlenstoff, 8 - 11 Gew.-# Chrom, 13 - 17 Gew.-ib Kobalt, 2 - k Gew.-% Molybdän, 4,5 - 5 Gew.-^ Titan, 5-6 Gew*-# Aluminium, 10 - 11 Gew.-#_AAluminium + Titan, 0,7 - 1,2 Gew.-% Vanadium, 0,01 - 0,02 Gew.-%Bot, 0,0^- C,09 Gew.-^ Zirkon und der Rest Nickel; diese Legierung wird im folgenden mit PWA 6^8 bezeichnet. TurbinenflUgel aus PWA wurden gemäß der obigen Beschreibung behandelt und mit Flügeln verglichen, <iie nach den bekannten Verfahren beschichtet waren. Tabelle I zeigt zum...Vergleich die Ergebnisse der Bruchbeanspruchungsversuche«· ν -

BAD

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Tabelle I

System Versuchsbedingungen Standzeit Länge- Verringerung (Temp/kg/cm¹) (Stunden) Streckung # der Fläche ρ

Unmodifi-

ziertes 962°C/1877 50.7 12.4 23.9

Al(Gruppe

A) 1O38°C/1O33 103.2 18.8 21.9 1093°C/ 650 65.2 10.2 14.6 1149⁰C/ ^55 25.9 16.2 15.9 1149°C/ 355 18.6 10.6 14.6

7OAI-JOW 982°C/1877 ' ^3-9 4.8 4.5

(Grupe E) 982°C/1877 63.4 ' 9.2 16.3

iOj)ö⁰c/i033 116.3 12.1 24.2

1O38°C/1O33 95.2 9.4 8.9

1093⁰C/ 650 " 62.4 7.7 10.0

1093⁰C/ 650 51.5 11.9 22.5

1I49°C/ 355 52.0 14.9 15.3

1 l49°c/ 355 55.4 12.9 9-9

Aus den in Tabelle I angegebenen Zahlenwerten ergibt sich, daß die Zeit bis zum Bruch der Versuchsteile bei einer Temperatur bis zu 1093°C bei den beiden Beschichtungen etwa gleich ist. Bei 1i)49°C ist die Bruchzeit der mit der 7OA1-3OW-Beschichtung (GruppeB) versehenen Versuchsteile jedoch doppelt so groß wie bei den mit. der herkömmlichen Beschichtung versehenen Versuchsteilen (Gruppe A). Bsi den Flügeln der Gruppe A beobachtete man ein Schmelzen zwischen 1177⁰C und 1£04°C, während die Flügel der Gruppe B Schmelzerscheinungen bei 1204 - 1232⁰C zeigten, also bei einer Temperatur, die um etwa 27⁰C höher war.,Beim Oxydationserosionsversuch zeigten sich bei den Flügeln der Gruppe A einzelne Fehlstellen in der Beschichtung nach 40 - 60 Stunden, während die Flügel der Gruppe 3 nach mindestens 150 'Stunden noch keine Fehlstellen in der Beschichtung aufwiesen.

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^uch hinsichtlich der Stabilität gegen Diffusion Zeigten die Versuchsteile der Gruppe B weit bessere Ergebnisse als die mit den bekannten Verfahren beschichteten Versuchsteile. Bei den Flügeln der Gruppe A war nach 120 Stunden bei einer Temperatur von 1149⁰C in stehender Luft die Beschichtungsdicke um 250$ größer, während unter den gleichen Urnständen die Flügel der Gruppe B eine Dickehzunahme der Beschichtung von 40jw zeigten; dies zeigt, daß die Wolframzugabe die Diffusion zwischen der Beschihtung und dem Metall der Unterlage sehr wirksam verringert hat. ' Von viellaicht· noch größerer Bedeutung ist die Tatsache, daß bei den Versuchsteilen der gruppe" B nur sehr wenig Beschichtungslegierung verschwunden war, während bei den

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Versuchsteilen der Gruppe A die Beschichtung vollkommen verschwunden war.

Etwa 100 Turbinenflügel wurden demtatsächlichen Triebwerksbetrieb mit JP-5 Turbinentreibstoff bei 1i49°C insgesamt 400 Stunden ausgesetzt. Die Ergebnisse dieser Versuche sind in Fig, 3 zusammengefaßt. Diese Versuche zeigten sehr deutlich die her<~ vorragende Stabilität und Überlegenheit der 7OA1-3OW-Beschichtung : in einer Umgebung, wie sie in einem Triebwerk tatsächlich herrscht, ;

Khnlich hervorragende Ergebnisse wurden mit Nickellegierungen.föl« .^; gender Zusammensetzung erzielt: 0,08 - 0,1 j5 Gew. *tf> Kohlenstoff, j 7,5 - 8,5 Gew.-$ Chrom, 9,5 - 10,5 Gew.-?o Kobalt,. 5,75 -6,25 Gew.-Molybdän, 5,75 «6,25 Gew.-^ Aluminium, 4 - 4,5Gew.-$ Tantal, 0,8 - 1,2 Gew.-^ Titaia, 0,01 -■ 0,02 Gew**>$ Bor,. 0,05 - 0,1 Gew. -% Zirkon und der liest. Nickjsl. '-.. . . .

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Dei Versuchen, mit liopersionsgsfestigten Nickellegierungen., die im Handel als TD-Nickel bezeichnet v/erden und aus 1,8 2,6 Gew. -Jo Thorerde und im übrigen Nickel bestehen, zeigten sich die Vorteile der Beschichtung aus modifiziertem Wolfram mit Aluminium ähnlich deutlich. Beim TD-Nickel hat es sich jedoch als notwendig erwiesen, auf die zu beschichtenden Ooerfläehen eine Nickelschicht aufzuspritzen und die Legierung anschließend einer Diffusionshitzebehandlung zu unterziehen, bevor die 7OAl-j5OW-Beschichtung aufgebracht wird. Es ist bekanntlich schwierig TD-Nickel mit einer befriedigenden, haltbaren Beschichtung zu versehen. Bei diesen Legierungen scheint das oben erörterte Problem der Diffusion zwischen der Beschichtung und dem Metall der Unterlage besonders unangenehm zu sein. Ferner scheinen die Oberflächen der Thorerde in den aufgebrachten Beschichtungen eine Kristallisationskernporosität aufzuweisen, wodurch sowohl die Schutzwirkung als auch die Haftung der Beschichtung innerhalb sehr kurzer Zeit beeinträchtigt wird,.

Bei TD-Nickelteilen wird das Nickelpulver daher mit Plasma-Spritzverfahren auf die zu schützende Oberfläche in einer Stärke von vorzugsweise 0,127 - 0,178 mm aufgebracht. Im Anschluß hieran wird das Teil für etwa h stunden in einer keine Verunreinigungen verursachenden Atmosphäre, wie etwa Wasserstoff, bei 1190 T246°C einer Diffuslonshitzebehandlung unterworfen. Erst nach

dieser Vorbereitung der Oberfläche wird die 70Al-20W-Beschichtung aufgebracht. Der Oxydationserosionsschutz rührt jedoeh grundsätzlich von der modifiziertes Wolfram enthaltenden Aluminium reichen Schicht her, wie dies oben beschrieben wurde,

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Nach der Aufbringung und vor der Hitzebehandlung besteht die Beschichtung im wesentlichen aus Aluminium, in das die Wolframpartikel gleichmäßig verteilt eingeschlossen sind. Nach der Diffusionshitzebehandlung hat sich, wie am besten aus der in Fig. 1 dargestellten Mikrophotographie.zu ersehen ist, eine harte, duktile Oberflächenschicht aus Beta-Nickel-Aluminid gebildet. Das Beta-Alurninid hat einen Schmelzpunkt in der Größenordnung von I76O C und eine Rockwell-Härte von Hc 45-50. Eine Mikroanalyse !zeigt das Vorhandensein von erh&lichen Mengen Wolfram und anderen Elementen in der Metall-" zusammensetzung der Unterlage, für die vorliegende Erörterung, insbesondere was die Oxydationserosion anbetrifft, wird -diese jedoch als Nickel-Aiuminid bezeichnet. Dsr größte Teil des Wolframs und andere schwer schmelzende Metalle scheinen jedoch im Bereich zwischen der Außenseite der Beschichtung und einer Karbidschicht konzentriert zu sein, die sich auf der Oberfläche des Metalls der Unterlage bildet. Dieses Wolfram in Mischkristallform zwischen der Oberflächenschicht und dem Metall der Unterlage wirkt als eine Diffusionsbarriere, wobei das Wolfram selbst äußerst langsam in das nickel diffundiert.

Versuche haben'ge ze igt, daß weniger als etwa 10 Gew. -fr Wolfram in der Diffusionsbarriere nicht die gewünschte Wirkung haben. Andererseits führen mehr als etwa ²IO Gew.-^ Wolfram zu übermäßig großen Wolframmengen in der .Oberflächenschicht, und da Wolfram bei den Betriebstemperaturen ier Triebwerke leicht oxydiert und zur Bildung spröder Verbindungervneigt, hält :nan den Wolframteil innerhalb der angegebenen Grenzen.

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Das Erfordernis, die Wolframmenge in der Beschichtung innerhalb bestimmter Grenzen zu halten, sollte auch bei der Auswahl der Nickellegierung und der Zusammensetzung des aufzubringenden Pulvergemisches berücksichtigt werden. Es wurden nach den obigen Verfahren beschichtete Gegenstände aus einer Legierung hergestellt, die aus 0,12 - 0,17 Gew.-;J Kohlenstoff, 8-10 Gew.-;j Chrom, 9 - 11 Gew.-/6 Kobalt, 11,5 - 1j5,5 Gew. -% Wolfram, 0,75 -1*2$ Gew.-jJ-Niobium, 1,75 - 2,25 Gew. -% Titan, 4,75 - 5, £5 Gew.-/J Aluminium, 0,01 - 0,02 Gew.-^ Bor, 0, O^ 0,0r, Gew.-;u Zirkon, Rast Nickel, bestand. Die Widerstandsfähigkeit dieser Gegenstände gegen Oxydationserosion war nicht so befriedigend wie bei den aus den anderen Nickellegierungen hergestellten Gegenständen. Das Vorhandensein erheblicher Wolframmengen im Grundrnetall ist wahrscheinlich der Grund für die Minderung -ler guten Eigenschaften. Der Zusammenhang zwischen dem Wolfram in der Beschichtung und dem Wolfram im Metall der Unterlage sowie die Notwendigkeit hierauf sorgfältig zu aohten, ist damit deutlich erwiesen.

Das Nickel-iUuminid oxydiert, wenn es bei entsprechender Temperatur einer oxydierenden Umgebung ausgesetzt wird, und die Oxydation ist vorwiegend, wobei im wesentlichen 100$ Aluminiumoxyd gebildet wird und das Axuminiumoxyd während des Erosionsvorganges nach und nach verloren geht. Die Durchdringung der Beschichtung mit Oxyd findet jedoch während der vorgesehenen Standzeit des Teils so lange nicht statt, wie die Beschichtung unversehrt und in einem bestimmten Sinne oxydierbar bleibt. Die schernatische Darstellung in Fig. 2 zeigt den geforderten Zusammenhang bei dem Oxydationserosionsprobleia.

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Wenn der.OxydafclonserosionsVorgang v/eitergeht, wobei sich das Aluminium mit Sauerstoff verbindet und nach und nach durch Erosion verloren geht, fördert das überschüssige Nickel die Bildung von Nickel-Äluminid in einer anderen Form, nämlich Ni-, Al-, und zwar unmittelbar unter' der Oxyd oberflächenschicht.

Aus der graphischen Darstellung in'Fig. 3 ist ohneweiteres zu ersehen, daß die Oxydations^rosion bei den beschichteten Triebwerkst.eilen gemäß der vorliegenden Erfindung aäir langsam fortschreitet, wobei in einer Zeitspanne von mehr als I50 Stunden kein -wesentlicher Gewichtsverlust erkennbar ist. Vergleicht .; man hiermit die herkömmlichen Beschichtungen unter ,den gleichen Umständen, so werden die Vorteile der vorliegenden Erfindung besonders deutlich. ' . !

Für den Fachmann liegen andere Abwandlungen der beschriebenen * Beschichtung und des beschriebenen Verfahrens auf der Hand,. die selbstverständlich in den Rahmen der vorliegenden Erfindung fallen. Die Fähigkeit vÖn^Wolfram in Mischkristallform, als Diffusionsbarriere für die Nickellegierungen zu wirken, hat ₍ j breitere Änwendungsmöglichkeiten als nur mit reinem Aluminium.

Ferner kann man, wenn man eine Verschlechterung der guten Eigen- ] schäften der beschichteten Gegenstände in Kauf nimmt, einen \

Teil des V/olframs in dem aufzubringenden Material durch Molybdän ersetzen, da auch Molybdän den Nickellegierungen eine beachtliche Widerstand'ofähigkeit gegen Diffusion verleiht, obwohl dieser Dif f UQi onswiderst and bei Wolf rain höher ist. Wenn daher hier zur Erläuterung der vor!legenden Erfindung Einzelheiten im Zu-■ ' - ■'■ ■■;■■'..■ BAD-QRlQiNAU ~ ^1? ^

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sammenhang mit bestimmten Beispielen und bevorzugten Ausfuhr ungsforrnen angegeben wurden, so ist es doch seiestverständlich, daß hierdurch der ärfindungsgedanke, wie er in den folgenden Ansprüchen zum Ausdruck: kommt, keineswegs eingeengt werden soll.

Patentansprüche

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Claims (3)

Dr. Ing. E. BERKENFELD · Dip!.-lng. H. B ERKE N FE LD, Patentanwälte, Köln Anlage Aktenzeiditn vom 3. Juli 1907 3ch+ Nam«d.Anm. United Aircraft Corporation Patentansprüche \

1. ■ Metallgegenstand zur Verwendung im heißen Teil eines Gasturbinentriebwerks, mit einer Unterlage aus einer Nickellegierung und einer gegen die Erosion durch Oxydation wi/derstandsfähigen Beschichtung auf dieser Unterlage, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung eine äußere Schicht aus Beta-Nickel-AIuminid als Hauptkomponente und eine Zwischenschicht aus Nickel -Alurninid als Hauptkoniponente mit 10-40 Gew. -$ W öl fr am in Mischkristallform aufweist, wobei die ■Wolframreiche Zwischenschicht als eine Diffusionsbarriere zwischen der Unterlage und der Beschichtung wirkt.

2. Metallgegenstand nach Anspruch*!, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung eine Dicke von 0,076 - 0,152 mn. auf der Nickellegierung hat.

J. Metallgegenstand nach den Ansprüchen 1 und 2, 'Iadurch gekennzeichnet, daß die Nickellegierung im wesentlichen aus 0,15 - 0,2 Gew.-jö Kohlenstoff, r- - 11 Gew.-^ Chror«, Ip-ij Gew.-^ Kobalt, 2 - 4 Gew.-^ Molybdän, 4,5 - 5 Gew.-^ Titan, 5 —6 Gew«-^ Aluminium, 10 - 11 Gev;.-;] Aluminiuin + Titan, O₁T"'* 1,2 Gew.-^ Vanadium, 0,01 - 0,02 Gew.-jS Bor, 0,Oj^ Ö,Q9 Gew.-fi^: Zirkon, Rest im wesentlichen Nickel besteht.

-;. oamni 0-3-12

4. Metallgegenstand nach den Ansprüchen 1 und 2, dadsurch gekennzeichnet, -daß die Nickellegierung iin wesentlichen aus O,Oo - 0,1j5 Gew.-'Jo Kohlenstoff, 7,5 - 8,5 Gew.-,ό' Chrom, 9,5 - 10,5 Gew.-^ Kobalt, 5,75 - 6,25 Gew.-^' Molybdän, 5,75 - 6,25 Gew. -\Ό Aluminium, 4-4,5 Gew.-^ Tantal, 0,0 - 1,2 Gew.-zJ Titan, 0,01 - 0,02 Gew.-^ Bor, 0,05 -0,1 GC3W.-/& Zirkon, Rest im wesentlichen Nickel, besteht.

5· Metallgegenstand nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Nickellegierung im wesentlichen aus 1,3 - 2,6 Gev/.-yo Thorerde, Rest im wesentlichen Nickel, besteht.

6. Verfahren zum Herstellen eines Metallgegenstandes nach Anspruch 1, der bei Temperaturen über 109.

3 C wiederstandsfeot gegen Oxydationserosion ist, dadurch gekennzeichnet, daß ir.an £ auf die Oberfläche einer Unterlage aus einer Nickellegierung im Metallspritzverfahren eine PulVermischung aufspritzt, die im wesentlichen au.s 60 - 90 Gew.->o Aluminium und 10 - 4 Gev;.-/o Wolfram· besteht, und daß man diese Unterlage nach dem · Metallspritzvorgang in einer keine Verunreinigungen verursachenden .-itnosphäre einer Diffusionshitzebehandlung unterzieht, und zvi'^r bei- einer Temperatur, die hoch genug ist, um eine Legierungs· reaktion der Mischung mit der Legierung der Unterlage zu bewirken

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Diffusionshitzebehandlung bei einer Temperatur von mindentens 1O66°C durchgeführt wird.

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8. Γ Verfahren nach Anspruch 7> dadurch gekennzeich-•net, daß die Pulvermischiung im wesentlich aus 68 - 72 Gew.-,υ Aluminium, Rest' Wolfram, besteht. .' .. . .

9« Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, ,daß die Nickellegierung im wesentlichen aus 9,5 - Gevi.-⁽/o Chrom, 15 Gew-..-'Jo Kobalt, 3 Gew. -% MoIy bädn," k, 8 Gew. -^:,Ό Titan, 5,5 Gew.~/o Aluminium, 1 Gew.-yo. Vanadium, 0,015 Gew.—% Bor, 0,06'Οβνϊ,-'/& Zirkon, teRest Nickel besteht.

10. . Verfahren nach Anspruch 8,. dadurch gekennzeichnet, daß die Nickellegierung " im wesentlichen; aus 8 Gew.->o Chrom, 10 Gew. -% Kobalt, 6 Gew. -$_ Molybdän, 6 Gew.-fo Aluminium, 4,3 Gew. Tantal, 1 Gew. -/α Titan, 0,015 Gew.-% Bor, 0,08 Gev/.-yu Zirkon, Rest Nickel, besteht. . .'.'--. " . - -

I ι. Vafahreh nach Anspruch 6, das sich insbesondere für hochwarmfeste, dispersionsgehärtete Nickellegierungen, eignet, dadurch gekennzeichnet, daß man die Oberfläche der Nickellegierung zuvor mit' einer Nickelschicht versieht und anschließend eine piffusionshitzebehandlung ,der mit Nickel beschichteten Nickellegierung in einer keine Verunreinigungen verursachenden Atmosphäre .durchführt. - '.■"'. , _ _ -

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die erste-Hitzebehandlung bei einer Temperatur von mindestens 1177°C und die zv/eite Hitzebehandlung bei einer Temperatur von mindestens 1066°C durchgeführt wird. ^:; .-■ _ :"■ ■.■■.- " - ...-. " -" BAD OFUQINAL ■ - 3 -

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1jJ. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Nickellegierung im v/escntlichen aus 1,8 - 2,5 Gew.-% Thorerde, Rest Nickel besteht,

14. Verfahren nach Anspruch 1^, dadurch gekennzeichnet, daß die Pul Vermischung ir^/e sent liehen aus 68-72 Gew.-^' Aluminium, Rest Wolfram besteht.

15· Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das aus feinen Pulvern bestehende Pulvergemisch im wesentlichen 63 - 72 Gew. -,I Aluminium und 28 - 32 Gew.-,ο Wolfram enthält, wobei die Partikelgröße des Aluminium etwa 50 150 Mikron und die Partikelgröße des Wolframs etwa 1 - 5 Mikron beträgt, daß das Pulvergemisch auf die zu schützende Oberfläche duüch ein Flammspritzverfahren in einer Dicke von mindestens 0,101 mm aufgebracht wird und daß die Diffusionshitzebehandlung der beschichteten Legierung bei einer Temperatur von IO66 - 1093 C etwa 4 Stunden lang in einer keine Verunreinigungen verursachenden Atmosphäre durchgeführt wird.

16. Verfahren nach den Ansprüchen 11 und 15, das sich insbesondere für Thorerde-Nickellegierungen eignet, dadurch gekennzeichnet, daß man mit einem Plasma-Spritzverfahren auf die zu schützenden Oberflächen ein Nickelpujv-er in einer Dicke von mindestens 0,127 mm aufsprüht und die mit Nickel beschichtete Legierung zunächst einer Diffusionshitzebehandlung bei 1190 - 1220⁰C 4 Stunden lang in einer keine Verunreinigungen verursachenden Atmosphäre unterzieht.

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17. .Verfahren nach einem der Ansprüche-6-16, bei dem ein 41uminiurnreiches Zwischenmetall als Oberflächenschicht auf den Nickellegierungen gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, daß man eine mit Wolfram angereicherte Zwischenschicht zwischen der Oberllächerischicht und der Legierung der Unterlage vorsieht, wobei etwa 10-40 Gew.-Ja Wolfram in Mischkristallform vorhanden sind.

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