DE2657288C2

DE2657288C2 - Überzogener Superlegierungsgegenstand und seine Verwendung

Info

Publication number: DE2657288C2
Application number: DE2657288A
Authority: DE
Inventors: Noel Butters 06071 Somers Conn. Preston
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: RTX Corp
Priority date: 1976-01-13
Filing date: 1976-12-17
Publication date: 1984-06-07
Also published as: SE7614295L; NO147019B; BE850138A; CA1069779A; DE2657288A1; GB1526911A; AU502359B2; IL51081A0; US4005989A; JPS6044390B2; AU2045776A; BR7700185A; FR2338386B1; NL7614128A; NO770070L; SE416742B; DK549976A; IL51081A; IT1076201B; NO147019C

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen überzogenen Superlegierungsgegenstand und betrifft insbesondere Bauteile, die mit hochtemperatur-oxydationsbeständigen Überzügen versehen sind, die unter schwierigsten Umgebungsbedingungen, wie sie beispielsweise in neuzeitlichen Gasturbinentriebwerken vorliegen, Schutz bieten.

Überzüge des MCrAlY-Typs sind beispielsweise aus den US-PS 36 76 085. 37 54 903 und 35 42 530 bekannt.

Typisch sind für die MCrAIY-Überzüge hohe Chrom- und Aluminiumgehalte und ein Yttriumgehalt in einem Basismetall, das eines oder mehrere der Elemente enthält die aus der aus Kobalt, Nickel und Eisen bestehenden Gruppe ausgewählt sind. Sie werdea üblicherweise als Deckschichten oder Decküberzüge bezeichnet, was die Tatsache ausdrückt daß sie als MCrAlY-Legierung auf die zu schützende Oberfläche aufgebracht werden und somit im wesentlichen unabhängig von dem Substrat ihrer Schutzfunktion ausüben.

Aluminiumhaltige Überzüge (sog. Aluminid-Überzüge) und Verfahren zum Herstellen solcher Überzüge sind bekannt und werden seit einer Anzahl von Jahren als hauptsächliche Überzüge für Gasturbinentrieb-

!5 werksteile angewandt Gemäß der US PS 31 02 044 wird eine an Aluminium reiche Aufschlämmung, die auf eine Superlegierungsoberfläche aufgebracht ist, mit dieser zur Reaktion gebracht, um ein Schutzalun.inid oder Schutzaluminide zu bilden. Die US-PS 32 57 230 beschreibt ein weiteres Alitierverfahren, d. h. ein weiteres Verfahren zur Bildung eines Schutzaluminids auf Legierungsoberflächen durch ein Packungszementierverfahren.
Vor der Einführung der Überzüge des MCrAlY-Typs wurden die Superlegierungen, wie oben erwähnt, typischerweise durch die Bildung eines Aluminids direkt auf und durch Reaktion mit der Superlegierungsoberfläche geschützt, indem diese Oberfläche bei hoher Temperatur Aluminium oder Aluminium enthaltenden Dämpfen ausgesetzt wurde. Das gebildete Hauptal jminid war gewöhnlich das des Basismetalls des Substrats, d. h. des Nickels, Kobalts oder Eisens. Zusätzlich zu dem Hauptaluminid enthielt die Überzugsschicht jedoch häufig Mengen von anderen in der Substratlegierung vorhandenen Bestandteilen und in den meisten Fällen hatte der Gesamtüberzug eine Zusammensetzung, die, obwohl sie akzeptabel war, einen Kompromiß hinsichtlich der Zusammensetzung und etwas weniger als das darstellte, das zur Optimierung des Überzugs erwünscht gewesen wäre.

Mit zunehmender Erschwerung der Triebwerksumgebungsbedingungen und anderer Anforderungen an die Überzüge erwies sich das weitgehend verwendete Aluminid in einigen Fällen als weniger geeignet und es

wurde ratsam, nach weiteren Überzugsverbesserungen zu suchen. Überzüge spielen selbstverständlich eine Hauptrolle bei der Eignung einer Triebwerkskonstruktion. Die Überzüge des MCrAlY-Typs waren das Ergebnis solcher Überzugsverbesserungsuntersuchungen und gestatteten dem Triebwerkskonstrukte-jr eine größere Flexibilität in seinen Konstruktionen in Verbindung mit der tntwicklung neuzeitlicher Gasturbinentriebwerke.

Mit der Einfügung der MCrAIY-Überzüge wurde es möglich, die Lebensdauer von Überzügen und von überzogenen Bauteilen unter schwierigen Triebwerksumgebungsbedingungen, wie sie bei neuzeitlichen Triebwerken auftreten, zu bewahren oder zu steigern. Die MCrAIY-Überzüge werden im allgemeinen auf die Substratoberfläche als MCrAlY-Legierung durch Aufdampfen im Vakuum, durch Aufstäubungs- oder Plasmaspritzverfahren aufgebracht. Der grundlegende Schutz wird durch die aufgebrachte Legierung selbst geschaffen, die für einen solchen Schutz besser optimiert werden kann, da sie von dem Substrat selbst im wesentlichen unabhängig ist. Es gibt selbstverständlich eine erwünschte und begrenzte Wechselwirkung zwischen dem Überzug und dem Substratmetall, das beruht aber auf der Natur der metallurgischen Verbindung und

nicht auf einer Reaktion an sich, und die Schutzelemente werden der MCrAlY-Legierung statt dem Substrat entnommen.

In späterer^ Entwicklungen ist vorgeschlagen worden, zusätzliche Uberzugsverbesserungen durch die Ver-Wendung von Verbundschichten zu erzielen. In der US-PS 36 49 225 beispielsweise ist die Verwendung eines Verbundüberzugs beschrieben, der eine Chromzwischenschicht oder eine an Chrom reiche Zwischenschicht auf einem Superlegierungssubstrat und eine auf dieser Zwischenschicht angeordnete MCrAlY-Schicht enthält

Mehrere weitere Entwicklungen bezüglich Überzügen des MCrAlY-Typs sind kürzlich in der Patentliteratur veröffentlicht worden. Gemäß der US-PS 38 49 865 wird ein zu schützendes Substrat zuerst mit einer Metallfolie umhüllt, beispielsweise aus NiCrAlSi oder FeCrAIY, und anschließend wird diese Folie mit einer Aluminidschicht überzogen. Die US-PS 38 73 347 und die US-PS 38 74 901 beschreiben beide etwa ähnliche Systeme, die sich aisf Überzugsverfahren beziehen, bei weichen ein Superlegierungskörper zuerst mit einer Schicht des MCrAlY-Typs überzogen wird, die anschließend alitiert wird, um eine Deckschicht aus Aluminium oder einem Aluminid zu schaffen.

Die Erfindung schafft einen überzogenen Gegenstand, der ein Superlegierungssubstrat einhält, das einen Aluminidüberzug, der hauptsächlich aus dem Aluminid des Basismetalls besteht, mit einem Decküberzug hat, der eine Legierung des MCrAlY-Typs enthält.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung haben gezeigt, daß die Lebensdauer mehr als dreimal größer ist als bei Gegenständen ohne ^as Alurrinid oder ohne das Aluminid als eine Zwischenschicht.

Die Superlegierungen sind im allgemei-?n Legierungen auf Nickel-, Kobalt- oder Eisenbasis, die bei hohen Temperaturen hohe Festigkeiten aufweisen. Es gibt eine Anzahl von Superlegierungen, die in Gasturbinentriebwerken verwendet werden. Die größten physikalischen Anforderungen werden gewöhnlich an diejenigen Legierungen gestellt, die in den Laufschaufeln und Leitschaufeln solcher Triebwerke verwendet werden, da die Lauf- und Leitschaufeln der höchsten Beanspruchung bei den höchsten Temperaturen ausgesetzt sind. Außerdem ergeben sich bei Lauf- und Leitschaufeln, insbesondere Probleme durch Wärmeschock, unterschiedlich starke Wärmedehnung, Ermüdung, Erosion, usw.

Beispiele für Lauf- und Leitschaufellegierungen sind folgende Nickelbasis-Superlegierungen:

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a) IN-100, welche eine Nennzusammensetzung mit 10% Chrom, 15% Kobalt, 4,5% Titan, 5,5% Aluminium, 3% Molybdän, 0,17% Kohlenstoff, 1 % Vanadin, 0,06% Bor, 0,05% Zirkonium und dem Rest Nickel hat.

b) MAR-M200, die folgende Zusammensetzung hat: 9% Chrom, 10% Kobalt, 2% Titan, 5% Aluminium, 12,5% Wolfram, 0,15% Kohlenstoff, 1% Niob, 0,015% Bor,0,05% Zirkonium, Rest Nickel.

c) INCONEL 792, die folgende Nennzusammensetzung hat; 13% Chrom, 10% Kobalt, 4,5% Titan, 3% Aluminium, 2% Molybdän, 4% Tantal, 4% Wolfram, 0,2% Kohlenstoff, 0,02% Bor, 0,1% Zirkonium, Rest Nickel.

Als Beispiele für Kobaltbasis-Legierungen, die in Gasturbinentriebwerken benutzt werden, seien folgende genannt:

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a) WI-52, die 21% Chrom, 11% Wolfram, 2% Niob plus Tantal, 1,75% Eisen, 0,45% Kohlenstoff und den Rest Kobalt enthält.

b) MAR-M509, die folgende Nennzusammensetzung hat: 21,5% Chrom, 10% Nickel, 7% Wolfram, 3,5% Tantal, 0,2% Titan, 0,6% Kohlenstoff, 0,5% Zirkonium, Rest Kobalt.

Bei der Durchführung der Erfindung wird das Superlegierungssubstrat zuerst mit einem Aluminidüberzug versehen. Dieser Überzug kann durch Aufschlämmung, durch Packungszementierung, durch Aufstäubung oder durch irgendein anderes für diesen Zweck bekanntes Verfahren geschaffen werden. Viele der neuzeitlichen Lauf- und Leitschaufeln, bei weichen die Erfindung insbesondere Anwendung findet, sind mit inneren Kühlkanälen versehen, für die ein Oberflächenschutz zweckmäßig zusätzlich zu dem auf den äußeren angeströmten Profiloberflächen erforderlichen Schutz geschaffen wird. Wenn sowohl die Innenoberflächen als auch die Außenoberflächen alitiert werden sollen, sind die bevorzugtesten Verfahren die Packungszementierungs- oder Gasphasenverfahren.

Bei einem Alitierverfahren wurden die zu überziehenden Teile nach dem sorgfältigen Reinigen in ein trockenes Pulvergemisch eingebettet, das etwa 15 Gew.-% einer Legierung mit 12% Silicium, bis zu 2,5% Ammoniumchlorid, Rest Aluminiumoxid, enthielt. Die eingebetteten Teile wurden dann auf eine Temperatur von etwa 760⁰C erhitzt und auf dieser Temperatur für eine Zeitspanne gehalten, die ausreichte, um die gewünschte Überzugsdicke zu erzeugen. Das Überziehen von äußeren Oberflächen, Schaufelfüßen, Verstärkungskranzplattformen und Innenkanälen ist typischerweise in einem Arbeitsgang ausgeführt worden. Selbstverständlich werden Bereiche, auf denen kein Überzug erwünscht ist, während der Alitierung in geeigneter Weise maskiert.

Im allgemeinen ist eine Aluminidüberzugsdicke. einschließlich einer diffundierten .done, von 0,025—0,063 mm für alle Oberflächen benutzt worden. Es ist klar, daß eine größere oder geringere Dicke unter anderen Umständen akzeptabel oder sogar ratsam sein kann. Gewöhnlich ist auch der Aluminiumgehalt an der Oberfläche des Aluminids auf etwa 22—36 Gew.-% eingestellt worden; Änderungen sind aber auch hier möglich.

Bei der Bestimmung der optimalen Aluminidüberzugsdicke und des optimalen Aluminiumgehalts gibt es zwei Hauptüberlegungen. Der Grad des geschaffenen Schutzes ist in einem großen Ausmaß von der Menge an Aluminium abhängig, das in dem Überzug zur Verfügung steht. Vielleicht noch wichtiger ist jedoch das Erfordernis, in dem Aluminid eine feste Basis für die MCrAIY-Deckschicht zu schaffen, bei welcher es sich um ein Element handelt, das eine vernünftige Dehnbarkeit erfordert, insbesondere in Fällen, in welchen Wärmeschockbedingungen vorliegen können.

Es sind auch Teile durch ein Packungszementierverfahren bei höherer Temperatur alitiert worden, bei welchem eingebettete Nickelbasis-Legierungsteile in einer Packung auf eine Temperatur bis zu 1040⁰C in einer Wasserstoff- oder Argon-Atmosphäre erhitzt werden.

Im Anschluß an die Alitierung wird ein MCrAlY-Überzug darauf aufgebracht. Ein besonders bevorzugter NiCoCrAIY-Überzug mit einer Zusammensetzung von 14-22 Gew.-% Chrom, 11,5-13,5 Gew.-% Aluminium, 0,l-0,5Gew.-% Yttrium, 20-26 Gew.-% Ko-

Sf ⁵

V bait. Rest Nickel, ist verwendet worden.

^ Dieser Überzug ist typischerweise durch Aufdampfen

f im Vakuum aufgebracht worden. Aufstäubungs- und

ι", Plasmaspritzverfahren sind jedoch ebenfalls zürn Aufbringen von MCrAlY-Überzügen benutzt worden.

?' Ein weiterer MCrAlY-Überzug ist die CpCrAlY-Le-

gierung mit einer Zusammensetzung von etwa 15—21 Gew.-% Chrom, 10—12Gew-% Aluminium, 03—0,9 Gew.-% Yttrium und dem Rest (Cobalt

Vorzugsweise wird das Aufdampfen aus einem Schmelzbad von Überzugsmaterial in einer Vakuumkammer (1 0—» rnbar oder weniger) auf ein vorgeheiztes Teil benutzt wobei das Aufdampfen fortgesetzt wird, bis die gewünschte Dicke von typisch 0,025—0,12 mm erreicht ist. !5

Im Anschluß an das Aufdampfen wird der überzogene Gegenstand im allgemeinen mit trockenem Glaspulver gestrahlt Danach wird der überzogene Gegenstand einer Diffusionswärmebehandlung bei einer Temperatur ausgesetzt, die so gewählt wird, daß sie nicht nur für den besonderen Überzug sondere auch für das Substrat geeignet ist Für die Laufschaufel- und Leitschaufeilegierungen hat sich eine typische Wärmebehandlung bei 1080° C für etwa 4 Stunden als geeignet erwiesen.

Die Untersuchung der überzogenen Gegenstände hat überraschende Resultate erbracht.

Bei zyklischer Oxydation

a) dauerte es bei einer Probe aus einer Nickelbasis-Superlegierung, die mit dem NiCoCrAlY-Überzug allein überzogen war, 953 Stunden bis zum Einsetzen einer lochfraßähnlichen Zerstörung (pitting);

b) dauerte es bei einer Probe aus einer Nickelbasis-Superlegierung, die mit dem NiCoCrAIY-Überzug und mit einem Aluminiddecküberzug überzogen war, 890 Stunden bis zum Einsetzen einer lochfraßähnlichen Zerstörung;

c) zeigte eine Probe nach der Erfindung, die aus einer Nickelbasis-Superlegierung mit einer Aluminid-Zwischenschicht und einer NiCoCrAIY-Deckschicht bestand, im Test nach 3177 Stunden noch kein Anzeichen einer lochfraßähnlichen Zerstörung.

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Das stellt einen Faktor von größer als drei für diese Ausführungform der Erfindung dar.

Bei einem weiteren zyklischen Oxydationstest

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a) zeigte sich bei einer Probe mit einer CoCrAlY-Unterschicht und einer Aluminid-Deckschicht nach 163 Stunden eine lochfraßähnliche Zerstörung;

b) ergab sich bei einer Probe nach der Erfindung mit einer A'uminid-Zwischenschicht und einer CoCrAIY-Deckschicht eine Zeit von 274 Stunden bis zu einer lochfraßähnlichen Zerstörung.

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Claims

.·..;,*" Patentansprüche: '■. ·. ■■

1. Überzogener Gegenstand mit einem Superlegierungssubstrat, dessen Basismetall Nickel, Kobalt oder Eisen ist, gekennzeichnet durch einen darauf angebrachten ersten Schutzüberzug, dessen Hauptschutzelement vor allem aus einem duktilen Aluminid des Basismetalls besteht, und

durch einen MCrAlY-Decküberzug über dem ersten Überzug, wobei M aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Nickel, Kobalt und Eisen besteht

2. Gegenstand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der MCrAlY-Überzug eine Zusammensetzung hat, die im wesentlichen aus 15—35Gew.-% Chrom, 10—20Gew.-% Aluminium, 0,01 —3 Gew.-% Yttrium und dem Rest besteht, der aus der aus Nickel, Kobalt und Eisen bestehenden Gruppe ausgewählt ist

3. Gegenstand nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein Nickelbasis-Superlegierungssubstrat durch einen duktilen Nickelaluminidüberzug, der an der Substratoberfiäche gebildet ist, und durch einen NiCoCrAIY-Überzug über dem Aluminidüberzug.

4. Gegenstand nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der NiCoCrAIY-Überzug eine Zusammensetzung hat, die im wesentlichen aus 11 —48 Gew.-% Kobalt wenigstens 15 Gew.-% Nikkei, 10—40 Gew.-o/o Chrom,9—15 Gew.-% Aluminium und 0,01 — 1 Gew.-% Yttrium besteht

5. Gegenstand nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet daß der NiCoCrAlY-Überzug eine Zusammensetzung hat, die im wesentlichen aus 25-40 Gew.-% Kobalt, 14-22 Gew.-% Chrom, 10—13Gew.-% Aluminium, 0,01 — 1 Gew.-% Yttrium und dem Rest, bei welchem es sich im wei ntlichen um Nickel handelt, besteht.

6. Gegenstand nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein Nickelbasis-Superlegierungssubstrat, durch eine duktile Nickelaluminidschicht auf der Substratoberfläche und durch einen CoCrAtY-Überzug über der Aluminidschicht.

7. Gegenstand nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der CoCrAlY-Überzug eine Zusammensetzung hat, die im wesentlichen aus 15-40 Gew.-°/o Chrom, 10—25Gew.-% Aluminium, 0,01 -5 Gew.-% Yttrium und dein Rest Kobalt besteht.

8. Gegenstand nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der CoCrAlY-Überzug eii.^ Zusammensetzung hat, die im wesentlichen aus 15-25 Gew.-% Chrom, 11 — 14Gew.-% Aluminium, 0,1-1 Gew.-% Yttrium, Rest Kobalt, besteht.

9. Verwendung des Gegenstands nach einem der Ansprüche I bis 8 als Gasturbinentriebwerksteil.