HIGH-TEMPERATURE PROTECTIVE LAYER

Abstract: 1. High-temperature protective layer based on nickel, chromium and boron, in particular for gas turbine components of an austenitic material, characterized by a matrix with 40 to 70% by weight of nickel, 15 to 30% by weight of chromium, 3 to 6% by weight of boron, 3.5% by weight of silicone and 4.5% by weight of iron, relative to the total weight of the alloy, into which matrix chromium boride is dispersed with a particle size of 3 to 15 mu m in quantities of 30 to 40% by volume, relative to the total volume of the alloy, the alloy containing 0.5 to 2% by weight of finely divided yttrium oxide, relative to the total weight of the alloy, which is mechanically attached to the surfaces of the metals and/or metal compounds forming the alloy.

Description: Hochtemperaturschutzschicht Die Erfindung bezieht sich eine Hochtemperaturschutzschicht gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 Solche Hochtemperaturschutzschichten kommen vor allem dort zur Anwendung, wo das Grundmaterial von Bauelementen aus wärmefesten Stählen und/oder Legierungen, die bei Temperaturen huber 600ob verwendet werden, zu schützen ist . Durch diese Hochtemperaturschutzschichten.soll die Wirkung von Hochtemperaturkorrosionen vor allem von Schwefel und flaschen verlangsamen werden. Die Hochtemperaturschutzschichten werden direkt auf das Grundmaterial aufgetragen. Bei Bauelementen von Gasturbinen sind solche Hochtemperaturschutzschichten von besonderer Bedeutung. Hochtemperaturschutzschichten werden vor allem auf Lauf- und Leitschaufeln sowie auf Wärmestausegmente von Gasturbinen aufgetragen. Für die Fertigung dieser Bauelemente wird vorzugsweise ein austenitisches Material auf der Basis von Nickel, Kobalt oder Eisen verwendet. Vor allem kommen für die Herstellung von Gasturbinenbauteilen Nickel-Superlegierungen als Grundmaterial zur Anwendung. Die aufgetragenen Hochtemperaturschutzschichten bestehen vorzugsweise aus chromhaltigen Legierungen. Aus der DE-OS 28 16 520 ist eine Ho-chtemperaturschutz- schicht für Gasturbinenbauteile bekannt. Die Schutzschicht besteht aus einer Matrix,die 40 bis 60 Gew.% Nickel, 15 bis 30 Gew.% Chrom sowie 3 bis 6 Gew.% Bor enthält. Die Gewichtsangaben beziehen sich auf das Gesamtgewicht der Matrix. Zusätzlich sind 30 bis 40 Vol.% Chromborid, bezogen auf das Gesamtvolumen der Legierung in die Schutzschicht eindispergiert. Die Schutzwirkung dieser Hochtemperaturschutzschicht beruht darauf, dass sich bei einem Korrosionsangriff Korrosionsprodukte in Form von Deckschichten bilden, welche korrosionsfest sind und die Oberfläche gleichmässig, homogen, dicht und dauerhaft bedecken, so dass insbesondere das Grundmaterial der Bauelemente vor weiteren Korrosionsangriffen geschützt ist. Diese Deckschichten; die vor allem Chromoxid enthalten, sind mit der Schutzschicht sowohl chemisch als auch mechanisch gut verträglich und unempfindlich gegenüber schockartiger thermischer und/oder mechanischer Beanspruchung. Darüberhinaus sind chromoxidhaltige Deckschichten gegen einem Angriff schwefelhaltiger Gaskomponenten widerstandsfähig, was insbesondere beim Einsatz solcher Schutzschichten für Gasturbinenbauelemente von Bedeutung ist. Von Nachteil ist bei diesen eingangs beschriebenen Hochtemperaturschutzschichten jedoch, dass diese chromoxidhaltigen Deckschichten bei Temperaturen, die über 9000C liegen, abgedampft werden. Dadurch kommt es zu einem schnellen Verbrauch der gegen die schwefel- und sauer stofffhaltige Atmosphäre beständigen Deckschicht. 5 Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Hochtemperaturschutzschicht so zu schafen, dass sich auf ihr eine chromoxidhaltige Deckschicht ausbilden kann, deren Abdampfung bei Temperaturen, die über 9000C liegen, dauerhaft unterbunden wird. Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt gemäss dem Kennzeichen des Patentanspruches 1. Zur Aufrechterhaltung einer chromoxidhaltigen Deckschicht ist in die Hochtemperaturschutzschicht eine feine Dispersion aus Yttriumoxid eingebracht. Die Matrix, welche die Hochtemperaturschutzschicht bildet, enthält 0,5 bis 2 Gew.% Yttriumoxid bezogen auf das Gesamtgewicht der aufgetragenen Legierung. Die Korngrösse des Yttriumoxids beträgt 1 - 5 Die Hochtemperaturschutzschicht wird durch eine Matrix gebildet, die 40 bis 70 Gew.% Nickel, 15 bis 30 Gew.% Chrom sowie 3 bis 6 Gew.% Bor bezogen auf das Gesamtgewicht der Legierung enthält. Zusätzlich ist in die Matrix Chromborid in einer Menge von 30 bis 40 Vol.%, bezogen auf das Gesamtvolumen der Legierung eindispergiert. Bei einer speziellen Ausführungsform der Erfindung besteht die Matrix aus 17 Gew.% Chrom, 3 > 52 Silizium, 4,5% Bor, 4,5% Eisen der übrige Anteil besteht aus Nickel. Das Yttriumoxid wird mechanisch an die Oberflächen der Metalle bzw. Metallverbindungen angeheftet, die die Hochtemperaturschutzschicht bilden. Dies geschieht durch Mahlen des Yttriumoxids mit den Metallen bzw. Metallverblndungen in einer Kugelmühle. Zusätzlich enthält die Matrix 1% Yttriumoxid. Die Hochtemperaturschutzschicht wird vorzugsweise mittels Plasma- oder Flammspritzen direkt auf das für die Herstellung des Bauelementes verwendete Grundmaterial aufgetragen. Die Hochtemperaturschutzschicht kann auch mittels Plasmaspritzen bei niedrigem Druck, vor-. zugsweise bei einem Druck der kleiner als 50 Torr ist, auf das Grundmaterial aufgetragen werden. Beim Auftragen des in der KugelmUhle gewonnenen Pulvers ist festzustellen, dass die Yttriumoxid-Teilchen nicht grösser werden, d.h. es kommt zu keiner Anlagerung von mehreren Yttriumoxid-Teilchen an ein Drittes. Anschliessend wird die Hochtemperaturschutzschicht wärmebehandelt und vakuumgesintert. Die Wärmebehandlung erfolgt zwischen 1050 und 10800C. Bei der Wärmebehandlung wird die Hochtemperaturschutzschicht selbst fliessend, so dass die beim Plasmaspritzen gebildeten Poren verschlossen werden und gleichzeitig eine ausreichende Diffusion der Schichtelemente in das Grundmaterial möglich wird. Unter Betriebsbedingungen l5st sich bei der thermischen Belastung der erfindungsgemässen Hochtemperaturschutzschicht das Chromborid zunächst langsam auf und diffundiert an die Oberfläche, wo borhaltige Verbindungen gebildet werden. Das freigewordene Chrom:diffundiert ebenfalls, jedoch langsamer, an die Oberfläche der Hochtemperaturschutzschicht und bildet da mit der sauerstoffhaltigen Atmosphäre die gewünschte Chromoxid-Deckschicht, die den eigentlichen Korrosionsschutz bewirkt. Der gleiche Effekt wird auch bei Hochtemperaturschutzschichten erzielt, die nur Chrom und kein Chromborid enthalten. Anhand eines Ausführungsbeispiels, das die Herstellung eines beschichteten Gasturbinenbauteiles beschreibt, wird die Erfindung näher erläutert. Das, insbesondere heissen Gasen ausgesetzte Bauteil einer Gasturbine soll mit der erfindungsgemässen Schutzschicht versehen werden. Die Beschichtung des Bau teils erfolgt mit Hilfe des Plasmaspritzverfahrens. Das Grundmaterial des zu beschichtenden Bautelis ist bei dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel eine Nickelsuperlegierung IN 738. Das die Hochtemperaturschutzschicht bildende Material besteht aus 17 Genes Chrom, 3,5 Genes Silizium, 4,5 Gew.% Bor, 4,5 Gew.% Eisen, der übrige Bestandteil ist Nickel. Die angegebene Gewichtsmenge bezieht sich auf das Gesamtgewicht der Legierung. Das oben beschriebene Material wird zusammen mit 1 Gew.% Yttriumoxid, die Gewichtsmenge bezieht sich ebenfalls auf das Gesamtge- wicht der Legierung, in einer Kugelmühle zusammengemahlen. Bei dem dabei entstehenden Pulver handelt es sich nicht um ein mechanisch legiertes Pulver, da das Yttriumoxid nur an der Oberfläche der übrigen die Legierung bildenden Metalle bzw. Metallverbindungen haftet. Das Plasmagas ist Argon in einer Menge von etwa 1,2 Nm3/h. Das Trägergas ist ebenfalls Argon in einer Menge von etwa 0,25 bis 0,3 Nm3/h. Der Plasmastrom beträgt 480 Ampere. Die angelegte Spannung beträgt 60 Volt. Das Auf- tragen der Hochtemperaturschutzschicht erfolgt im wesentlichen gemäss der nachfolgend beschriebenen Art und Weise. Zunächst wird das aus dem Grundmaterial gefertigte Bauelement mit chemischen und/oder mechanischen Mitteln gereinigt und entfettet. Daraufhin werden alle nicht zu beschichtenden Bereiche abgedeckt. Dafür können beispielsweise Blech- oder Graphitabdeckungen dienen. Nun werden die zu beschichtenden Bereiche mechanisch aufgerauht. Anschliessend wird das in der Kugelmühle hergestellte Pulver mittels Plasmaspritzen auf das Grund material aufgetragen. FUr die anschliessende Wärmebehandlung dient ein Hochvakuumglühofen, in dem ein Druck p Aufrecht erhalten wird, der kleiner als 5 x 10-4 Torr ist. Nach dem Erreichen des Vakuums wird der Ofen auf 1050 bis 10800C aufgeheizt. Diese Temperatur, bei der einerseits die Hochtemperaturschutzschicht mindestens teilweise fliesst und daher ihre Poren schliesst und andererseits eine Diffusion des beim Plasmaspritzen nur mechanisch mit dem Grundmaterial verbundene Schichtmaterials in das Grundmaterial hinein erfolgt, wird während etwa einer Stunde mit einer Toleranz von etwa 40c gehalten, woraufhin die Heizung des Ofens ausgeschaltet wird. Das beschichtete, wärmebehandelte Bauteil kühlt sich dann im Ofen langsam ab.

Claims: Ansprüche 1. Hochtemperaturschutzschicht aus Chrom, Silzium, Bor, Eisen und Nickel, insbesondere für Gasturbinenbauteile aus einem austenitischen Werkstoff,dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung ein fein verteiltes Leichtmetalloxid als Zusatz enthält, welches mechanisch an die Oberflächen der die Legierung bildenden Metalle und/oder Metallverbindungen angeheftet ist. 2. Hochtemperaturschutzschicht nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung 0,5 bis 2 Gew.% Yttriumoxid, bezogen auf das Gesamtgewicht der Legierung, als Zusatz enthält. 3. Hochtemperaturschutzschieht nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Korngrösse des Yttriumoxids 1 bis 5/km beträgt. 4. Hochtemperaturschutzschicht nach Anspruch 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine Matrix mit 40 bis 60 Ges.% Nickel, 15 bis 30 Gew.% Chrom, 3 bis 6 Gew.% Bor sowie 3,5 Gew.% Silizium, bezogen auf das Gesamtgewicht der Legierung, in welche Chromborid in Mengen von 30 bis 40 Vol.%, bezogen auf das Gesamtvolumen der Legierung mit einer Teilchengrösse von 3 bis 15 mikrometer eindispergiert ist. 5. Hachtemperaturschutzschi cht nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Matrix 17 Ges.% Chrom enthält. 6. Hochtemperaturschutzschicht nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Matrix X,5 Gew.% Bor enthält. 7. Hochtemperaturschutzschicht nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Matrix 4,5 Gew.% Eisen enthält. - 8. Hochtemperaturschutzschicht nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung mittels Plasma- oder Flammspritzen auf das Grundmaterial pes Bauelementes aufgetragen ist. 9. Hochtemperaturschutzschicht nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung mittels Plasmaspritzen bei einem Druck der kleiner als 50 Torr ist, auf das Grundmaterial des Bauelementes aufgetragen ist. 10. Hochtemperaturschutzschicht nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Yttriumoxid durch mechanisches Mahlen mit den Oberflächen der die Legierung bildenden Metalle und/oder Metallverbindungen verbunden ist 11. Hochtemperaturschutzschicht nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daR die Legierung 3,5 Ges.% Silizium enthält.

Inventors: NICOLL, ANDREW R.
Applicants: BBC AKTIENGESELLSCHAFT BROWN, BOVERI & CIE.
Application year: 1982
Main classification: C23C4
IPC codes: C23C30, F02C7, C23C4, C22C19, F01D25