DE2657288A1

DE2657288A1 - Ueberzogener superlegierungsgegenstand

Info

Publication number: DE2657288A1
Application number: DE19762657288
Authority: DE
Inventors: Noel Butters Preston
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: RTX Corp
Priority date: 1976-01-13
Filing date: 1976-12-17
Publication date: 1977-07-14
Also published as: DE2657288C2; BE850138A; JPS5288226A; DK549976A; NO147019C; IL51081A0; AU502359B2; IL51081A; FR2338386A1; JPS6044390B2; SE416742B; SE7614295L; BR7700185A; CA1069779A; FR2338386B1; NO770070L; NO147019B; NL7614128A; GB1526911A; AU2045776A

Description

patentanwälte
Menges & Prahl 26 57288

Erhardtstrasse 12, D-8000 München 5

Patentanwälte Menges & Prahl, Erhardtstr. 12, D-8000 München 5 Dipl.-Ing. Rolf Menges

Dipl.-Chem.Dr. Horst Prahl

Telefon (089) 26 3847 Telex 529581 BIPATd Telegramm BIPAT München

IhrZeichen/Your ref.

UnserZeichen/Ourref. U 516

Datum/Date \f_% [JeZ. 1976

UNITED TECHNOLOGIES CORPORATION , Hartford, Connecticut 06101, V.St.A.

Überzogener Superlegierungsgegenstand

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf die Überzugstechnik und 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'en 3 676 085, 3 754 903 und 3 542 530 bekannt. Typisch sind für die MCrAlY-Überzüge hohe Chrom- und Aluminiumgehalte und ein Yttriumgehalt in einem Basismetall, das eines oder mehrere der

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Elemente enthält, die aus der aus Kobalt, Nickel und Eisen bestehenden Gruppe ausgewählt sind. Sie werden 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 ihre 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 Gasturbinentriebwerksteile angewandt. Gemäß der US-PS 3 102 044 wird eine an Aluminium reiche Aufschlämmung, die auf eine Superlegierungsoberfläche aufgebracht ist, mit dieser zur Reaktion gebracht, um ein Schutzaluminid oder Schutzaluminide zu bilden. Die US-PS 3 257 230 beschreibt ein weiteres Aluminisierungsverfahren, d.h. ein weiteres Verfahren zur Bildung eines Schutzaluminids auf Legierungsoberflächen durch ein Einsatz-oder 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 gebildet, indem diese Oberfläche bei hoher Temperatur Aluminium oder Aluminium enthaltenden Dämpfen ausgesetzt wurde. Das gebildete Hauptaluminid war gewöhnlich das des Basismetalls des Substrats, d.h. des Nickels, Kobalts oder Eisens. Zusätzlich zu dem Hauptaluminid enthielt

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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 zunehmendem Schwierigerwerden der Triebwarksumgebungsbedingungen und anderer Anforderungen an das Überzugsaluminium 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 Triebwerkskonstrukteur eine größere Flexibilität in seinen Konstruktionen in Verbindung mit der Entwicklung neuzeitlicher Gasturbinentriebwerke.

Mit der Einführung der MCrAlY-Überzüge wurde es möglich, die Lebensdauer von Überzügen und von überzogenen Bauteilen unter schwierigeren Triebwerksumgebungsbedingungen, wie sie bei neuzeitlichen Triebwerken auftreten, zu bewahren oder zu steigern. Die MCrAlY-Überzüge werden im allgemeinen auf die Substratoberfläche als MCrAlY-Legierung durch Aufdampfen im Vakuum, durch Zerstäubungs- oder Plasmaspritzverfahren aufgebracht. Der grundlegende Schutz wird durch die aufgebrachte

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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 späteren Entwicklungen ist vorgeschlagen worden, zusätzliche Überzugsverbesserungen durch die Verwendung von mehrfachen Überzugsschichten oder von Verbundschichten zu erzielen. In der US-PS 3 649 225 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 3 849 865 wird ein zu schützendes Substrat zuerst mit einer Metallfolie umhüllt, beispielsweise aus NiCrAlSi oder FeCrAlY, und anschließend wird diese Folie mit einer Aluminidschicht überzogen. Die US-PS 3 873 347 und die US-PS 3 874 901 scheinen beide etwa ähnliche Systeme zu beschreiben, die sich auf Überzugsverfahren beziehen, bei welchen ein Superlegierungskörper zuerst mit einer Schicht des MCrAlY-Typs

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überzogen wird, die anschließend aluminisiert wird, um eine Deckschicht aus Aluminium oder einem Aluminid zu schaffen.

Die Erfindung schafft einen überzogenen Gegenstand, der ein Superlegierungssubstrat enthält, 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 das Aluminid oder ohne das Aluminid als eine Zwischenschicht.

Die Superlegierungen sind im allgemeinen 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 in den 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 Wärmestoß, unterschiedlich starke Wärmedehnung, Ermüdung, Erosion, usw.

Beispiele für Lauf- und Leitschaufellegierungen sind folgende Nickelbas is-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 % Vanadium, 0,06 % Bor, 0,05 % Zircon 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 % Zircon, 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 % Zircon, Rest Nickel.

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

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 % Zircon, Rest Kobalt.

Bei der Durchführung der Erfindung wird das Superlegierungssubstrat zuerst mit einem Aluminidüberzug versehen. Dieser Überzug kann durch Aufschlämmung, durch Packungszementierung,

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durch Zerstäubung oder durch irgendein anderes für diesen Zweck bekanntes Verfahren geschaffen werden. Viele der neuzeitlichen Lauf— und Leitschaufeln, bei welchen die Erfindung insbesondere Anwendung findet, sind mit inneren Kühlkanälen versehen, für die ein Oberflächenschutz zweckmäßig zusätzlich zu dem auf den äußeren angeströmten Profil oberflächen erforderlichen Schutz geschaffer wird. Wenn sowohl die Innenoberflächen als auch die Außenober— flächen aluminisiert werden sollen, sind die bevorzugtesten Verfahren die Packungszementier- oder Gasphaseverfahren.

Bei einem Aluminisierungsverfahren wurden die zu überziehenden Teile nach dem sorgfältigen Reinigen in ein trockenes Pulvergemisch eingebettet, das etwa 15 Gew.-% einer Aluminium-/12 % Silicium-Legierung, bis zu etwa 2,5 % Ammoniumchlorid, Rest Aluminiumoxid, enthielt. Die eingebetteten Teile wurden dann auf

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eine Temperatur von etwa 760 C erhitzt und auf dieser Temperatur für eine Zeitspanne gehalten, die ausreichte, um die gewünschte Überzugsdicke zu erzeugen. Das Überziehen von äußeren Obei— flächen, Schaufelfüßen, Verstärkungskranzplattformen und Innenkanälen ist typischerweise in einem Arbeitsgang ausgeführt worden. Selbstverständlich werden Bereiche, auf denen kein Überzug erwünscht ist, während des Aluminisierungsvorganges in geeigneter Weise maskiert.

Im allgemeinen ist eine Aluminidüberzugsdicke, einschließlich einer diffundierten Zone, 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

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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 Übei— zug zur Verfügung steht. Vielleicht noch wichtiger ist jedoch das Erfordernis, in dem Aluminid eine feste Basis für die MCrAlY-Deckschicht zu schaffen, bei welcher es sich um ein Element handelt, das eine vernünftige Ausdehnbarkeit erfordert, insbesondere in Fällen, in welchen Wärmeschockbedingungen vorliegen können.

Es sind auch Teile durch ein Packungszementierverfahren bei höherer Temperatur aluminisiert worden, bei welchem eingebettete Nickelbasis-Legierungsteile in einer Packung auf eine

Temperatur bis zu 1040 C

Atmosphäre erhitzt werden.

Temperatur bis zu 1040 C in einer Wasserstoff- oder Argon—

Im Anschluß an den Aluminisierungsvorgang wird ein MCrAlY-Überzug darauf aufgebracht. Ein besonders bevorzugter NiCoCrAlY-Überzug mit einer Zusammensetzung von etwa 14-22 Gew.-% Chrom, 11,5-13,5 Gew.-% Aluminium, 0,1-0,5 Gew.-% Yttrium, 20-26 Gew.-% Kobalt, Rest Nickel, ist verwendet worden.

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Dieser Überzug ist typischerweise durch Aufdampfen im Vakuum aufgebracht worden. Zerstäubungs- und Plasmaspritzverfahren sind jedoch ebenfalls zum Aufbringen von MCrAlY-Überzügen benutzt worden.

Ein weiterer MCrAlY-Überzug ist die CoCrAlY-Legierung mit einer Zusammensetzung von etwa 15-21 Gew.-% Chrom, 10-12 Gew.-% Aluminium, 0,3-0,9 Gew.-% Yttrium und dem Rest Kobalt.

Vorzugsweise wird das Aufdampfen aus einem Schmelzbad von

-4 Uberzugsmaterial in einer Vakuumkammer (10 Torr oder besser) auf ein vorgeheiztes Teil benutzt, wobei das Aufdampfen fortgesetzt wird, bis die gewünschte Dicke erreicht ist, die typisch 0,025-0,12 mm beträgt.

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

legierungen hat sich eine typische Wärmebehandlung bei 1080 C

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Das Testen der überzogenen Gegenstände hat überraschende Resultate erbracht.

Bei zyklischer Oxydation:

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

b) dauerte es bei einer Probe aus einer Nickelbasis-Superlegierung, die mit dem NiCoCrAlY-Überzug und mit einem Aluminiddeckuberzug 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 NiCoCrAlY-Deckschicht bestand, im Test nach 3177 Stunden noch kein Anzeichen einer lochfraßähnlichen Zerstörung.

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

Bei einem weiteren zyklischen Oxydationstest:

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

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

Die beträchtliche und unerwartete Überlegenheit der Erfindung ist auf diese Weise beweiskräftig demonstriert worden.

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Claims

Patentansprüche:

1 . Überzogener Gegenstand mit einem Superlegierungssubstrat, gekennzeichnet durch einen darauf angebrachten ersten Überzug, der vor allem aus einem Aluminid des Basismetalls des Substrats besteht, und durch einen darüber angebrachten MCrAlY-Überzug.
2. Gegenstand nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein Superlegierungssubstrat, dessen Basismetall ein Element ist, das aus der aus Nickel, Kobalt oder Eisen bestehenden Gruppe ausgewählt ist,

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.
3. Gegenstand nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der MCrAlY-Überzug eine Zusammensetzung hat, die im wesentlichen aus 15-35 Gew.-% Chrom, 10-20 Gew.-% Aluminium, 0,01-3 Gew.-% Yttrium und dem Rest besteht, der aus der aus Nickel, Kobalt und Eisen bestehenden Gruppe ausgewählt ist.
4. Gegenstand nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein Nickelbasis-Superlegierungssubstrat, durch einen duktilen Nickelaluminidüberzug, der an der Substratoberfläche gebildet ist, und durch

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einen NiCoCrAlY-Überzug über dem Aluminidüberzug.
5. Gegenstand nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß

der NiCoCrAlY-Überzug eine Zusammensetzung hat, die im wesentlichen aus 11-48 Gew.-% Kobalt, wenigstens 15 Gew.-% Nickel, 10-40 Gew.-% Chrom, 9-15 Gew.-% Aluminium und 0,01-1 Gew-% Yttrium besteht.
6. Gegenstand nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der NiCoCrAlY-Überzug eine Zusammensetzung hat, die im wesentlichen aus 25-40 Gew.-% Kobalt, 14-22 Gew.-% Chrom, 10-13 Gew.-% Aluminium, 0,01-1 Gew.-% Yttrium und dem Rest, bei welchem es sich im wesentlichen um Nickel handelt, besteht,
7. Gegenstand nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein Nickelbasis-Superlegierungssubstrat, durch eine duktile Nickelaluminidschicht auf der Substratoberfläche und durch einen CoCrAlY-Überzug über der Aluminidschicht.
8. Gegenstand nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der CoCrAlY-Überzug eine Zusammensetzung hat, die im wesentlichen aus 15-40 Gew.-% Chrom, 10-25 Gew.-% Aluminium, 0,01-5 Gew.-% Yttrium und dem Rest Kobalt besteht.
9. Gegenstand nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der CoCrAlY-Überzug eine Zusammensetzung hat, die im

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wesentlichen aus 15-25 Gew.—% Chrom, 11—14 Gew.-% Aluminium, 0,1-1 Gew.-% Yttrium, Rest Kobalt, besteht.
10. Gegenstand nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei ihm um ein Gasturbinentriebwerksteil handelt.

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