DE2842848A1 - Ueberzogener gegenstand, insbesondere superlegierungsgasturbinenschaufel - Google Patents
Ueberzogener gegenstand, insbesondere superlegierungsgasturbinenschaufelInfo
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Description
Überzogener Gegenstand, insbesondere Superlegierungsgasturbinenschaufel
Die Erfindung bezieht sich auf Schutzüberzüge und überzogene Gegenstände und betrifft insbesondere Überzüge,
die eine hohe Oxydations- und Verschleißfestigkeit haben,
so daß sie bei Superlegierungsteilen angewendet werden können.
In modernen Gasturbinentriebwerken müssen gewisse Triebwerksteile,
wie beispielsweise Superlegierungsturbinenlaufschaufeln, bei hoher Temperatur oxydations- und verschleißfest
sein. Diese Eigenschaften sind in bezug auf den Z-Kerbbereich an einer Turbinenlaufschaufelspitzenummantelung
besonders wichtig, da diese an den Z-Kerben von benachbarten Turbinenlaufschaufeln reibt und starkem
Verschleiß und starker Oxydation ausgesetzt ist. Bislang wird die Z-Kerbe durch verschiedene Materialien geschützt,
zu denen puddelgeschweißte Hartmetallüberzüge gehören,
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für die ein Überzug auf Kobaltbasis mit einer Nenngewichtszusammensetzung
von 28% Cr, 5% Ni, 19,5% W, 1% V, Rest
Kobalt, typisch ist. Solche Hartmetallüberzüge sind zwar in der Lage, den Z-Kerbbereich der Schaufelspitzenummantelung
während des Triebwerksbetriebes zu schützen, das Aufbringen derselben durch den Puddelschweißprozeß ist
jedoch teuer und in einigen Fällen ist ihre Betriebslebensdauer weniger als zufriedenstellend gewesen. Andere, wirtschaftlichere
Verfahren zum Auftrηgen der Hartmetallüberzüge,
wie beispielsweise das Plasmaspritzen, sind aufgrund der nicht ausreichenden Haftfestigkeit des Überzugs während
des Betriebes nicht zufriedenstellend. Ein weiteres Material, das als ein Hochtemperaturschutzüberzug benutzt worden ist,
ist eine Verbundschicht, die ChromearbidteiIchen eingebettet
in einen Nickel-Chrom (80% Ni-20% Cr) -Binder aufweist.
Typischerweise sind die Ghromcarbidteilchen mit wenigstens
70 Vol.-% vorhanden. Diese Verschleißüberzüge können zwar zweckmäßig auf die Z-Kerbe der Schaufelspitzenummantelung
durch Plasmaspritzen aufgetragen werden, das Mikrogefüge, die Härte und die Haftfestigkeit von solchen Überzügen
lassen jedoch viel zu wünschen übrig. Darüber hinaus ist die Oxydationsbeständigkeit von solchen Überzügen nicht
zufriedenstellend.
Es ist bekannt, daß die Familie der Schutzüberzüge, die im allgemeinen als MCrAlY-Überzüge bezeichnet werden, wobei
M aus der Gruppe Nickel, Kobalt und Eisen sowie ihren Gemischen ausgewählt wird, in der Hochtemperaturtriebwerksumgebung
für Oxydations- und Korrosionsbeständigkeit sorgen kann (vgl. z.B. die US-PSen 3 676 085, 3 754- 903, 3 928
und 3 5^2 530). Bislang sind jedoch diese MCrAlY-Überzugslegierungen
auf die Flügelprofil- und wurzelteile der Superlegierungsschaufel aufgetragen worden, wo die Bedingungen,
die den Verschleiß fördern, nicht annähernd so aggressiv
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sind wie diejenigen, denen die Z-Kerbe der Schaufelspitzenummantelung
ausgesetzt ist.
Die Erfindung schafft einen mit einem Schutzüberzug versehenen Superlegierungsgegenstand, der durch eine verbesserte
Oxydationsbeständigkeit in Verbindung mit einer verbesserten Verschleißfestigkeit bei hohen Temperaturen,
beispielsweise bis zu 982 0G, gekennzeichnet ist. Der Schutzüberzug
ist durch eine stark verbesserte Haftfestigkeit an dem Gegenstandssubstrat bei solchen hohen Temperaturen gekennzeichnet.
Der verbesserte überzogene Gegenstand nach der Erfindung enthält ein Superlegierungssubstrat, das einen schützenden
Verbundüberzug trägt, wobei der Überzug ein Legierungsgrundmaterial des MCrAlY-Typs mit darin dispergierten Chromcarbidteilchen
enthält. Die Menge der in dem MCrAlY-Grundmaterial
dispergierten ChromearbidteiIchan kann geändert
werden, beispielsweise von etwa 5 bis etwa 85 Gew.-%, und
zwar in Abhängigkeit von dem Typ und der Aggressivität der zu erwartenden Betriebsumgebung. Vorzugsweise hat der Überzug
eine Dichte von wenigstens 95^ der theoretischen Dichte,
um optimale Eigenschaften zu schaffen. Der Verbundüberzug kann auf das Substrat mit maximaler Dichte durch moderne
Plasmaspritzverfahren aufgetragen werden.
Der Verbundüberzug nach der Erfindung findet spezielle Anwendung als ein Schutzüberzug auf der Z-Kerbe von Turbinenlauf
schaufelspitzenummantelungen, um eine beträchtlich höhere Betriebslebensdauer in der Gasturbinentriebwerksumgebung
zu erreichen.
Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher be-
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schrieben. E" zeigen:
die Fig. 1 und 2 Querschnitte durch einen Verbundüberzug
nach der Erfindung bei 250- bzw. 500-facher Vergrößerung nach einer elektrolytischen Ätzung
mit 5-prozentiger Chromsäure.
SuperleEierungen sind im allgemeinen diejenigen legierungen,
die als Nickel-, Kobalt- oder Eisenbasis-Legierungen
gekennzeichnet werden, welche bei hohen Temperaturen hohe Festigkeiten aufweisen. Es gibt eine Anzahl von Superlegierungen,
die in Gasturbinentriebwerken benutzt werden.
Von diesen werden die größten physikalischen Anforderungen gewöhnlich an diejenigen Legierungen gestellt, die in
lauf- und Leitschaufeln in solchen Triebwerken benutzt werden, da die Lauf- und Leitschaufeln der höchsten Beanspruchung
bei der höchsten Temperatur ausgesetzt sind. Bezüglich der Laufschaufeln sind die härtesten Betriebsanforderungen hinsichtlich der Oxydation und des Verschleißes
in dem Z-Kerbbereich an den Laufschaufelspitzenummantelungen
zu erwarten, da diese Bereiche während des Triebwerksbetriebes an einander reiben.
Beispiele für Superlegierungen auf Nickelbasis, die in Gasturbinenschaufeln benutzt werden, sind folgende:
a. IN-100 mit einer Nennzusammensetzung von 10% Chrom,
15% Kobalt, 4,5% Titan, 5,5% Aluminium, 3% Molybdän,
0,17% Kohlenstoff, 1% Vanadium, 0,06% Bor, 0,05% Zirkonium, Rest Nickel;
"b. MAE-M200 mit einer Zusammensetzung von 9% Chrom, 10%
Kobalt, 2% Titan, 5% Aluminium, 12,5% Wolfram, 0,15%
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Kohlenstoff, 1% Mob, 0,015% Bor, 0,05% Zirkonium, Rest Nickel;
c. INCONEL 792 mit einer Nennzusammensetzung von 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.
Beispiele für Legierungen auf Kobaltbasis, die in Gasturbinentriebwerken
benutzt werden, sind:
a. WI-52, das 21% Chrom, 11% Wolfram, 2% Niob plus Tantal,
1,75% Eisen, 0,45% Kohlenstoff, Rest Kobalt enthält;
b. MAR-M5O9, das eine Nennzusammensetzung mit 21,5% Chrom,
10% Nickel, 7% Wolfram, 3,5% Tantal, 0,2% Titan, 0,6% Kohlenstoff, 0,5% Zirkonium, Rest Kobalt,hat.
Die Fig. 1 und 2 zeigen einen Überzug nach der Erfindung, in welchem das Legierungsgrundmaterial des MCrAlY-Typs
enthält (in Cewichtsprozent): 63% Co, 23% Cr, 13% Al und
0,65% Y, und in welchem die ChromcarbidCCr^Cg)-^eilchen
in einer Menge von etwa 20 Gew.-% vorhanden sind. Das Superlegierungssubstrat, auf welches der Überzug aufgetragen
ist, ist unter der Bezeichnung Inconel 718 bekannt,
das folgende Nennzusammensetzung (in Gewichtsprozent) hat: 18,5% Cr, 18,0% Fe, 0,9% Ti, 0,6% Al, 3,0% Mo, 5% Nb+Ta,
Rest im wesentlichen Nickel. Wie die Figuren zeigen, sind die Chromcarbidteilchen mehr oder weniger beliebig in dem
gesamten Grundmaterial dispergiert und haben eine sehr feine Größe mit einem mittleren Durchmesser von etwa 15 um.
Für optimale Oxydations- und Verschleißfestigkeit sowie
Haftfestigkeit des Überzugs an dem Substrat sollte die Dichte des Überzugs hoch sein und beispielsweise wenig-
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stens 95% der theoretischen Dichte betragen. Zur Gewährleistung
dieser hohen Überzugsdichte und auch der willkürlichen Dispersion der Ghromcarbidteilchen wird der
Überzug auf das Substrat vorzugsweise durch das moderne Plasmaspritzverfahren aufgetragen. Bei diesem modernen
Verfahren werden das Chromearbidpulver und das CoGrAlY-Pulver
in ein gekühltes Plasmagas eingeleitet und dann auf das Substrat gesprüht. Im Handel erhältliche Pulver
haben sich als zufriedenstellend erwiesen. Nach dem Plasmaspritzen durch dieses Verfahren wurde der in den
Figuren dargestellte überzogene Gegenstand bei einer Temperatur von 1079 °C vier Stunden lang wärmebehandelt,
um eine Diffusionsbindung zwischen dem Überzug und dem Substrat zu schaffen.
Dem Fachmann ist klar, daß der Prozentsatz an Chromcarbidteilchen,
die in dem CoCrAlY-Grundmaterial dispergiert
sind, in Anpassung an die besondere Betriebsumgebung, die zu erwarten ist, geändert werden kann. Beispielsweise
kann die Menge an Chromcarbidteilchen von etwa 5 Gew.-% bis etwa 85 Gew.-% geändert werden. Bei Verwendungen bei
niedriger Temperatur, beispielsweise bis zu 760 0C,
und/oder Bedingungen starken Verschleißes würde der Prozentsatz an Dispersoidteilchen vorzugsweise in dem höheren
Abschnitt des Bereiches liegen, vorzugsweise von etwa bis etwa 85 G-ew.-%. Bei höheren Temperaturen bis zu 927 0G
und Bedingungen weniger starken Verschleißes können die Chromcarbidprozentsätze bis zu 5 Gew.-% erniedrigt werden.
Typischerweise werden jedoch von etwa 10 bis etwa 30 Gew.-%
unter diesen letztgenannten Bedingungen bevorzugt, beispielsweise für die Z-Kerbe von Gasturbinenschaufeln. Durch
Verändern der Menge an Carbiddispersoid kann die mittlere Härte des Überzugs nach der Erfindung von etwa 600 DPH
(Diamantpyraraidenhärte) bis über einen Wert von 1000 DPH maßgeschneidert werden. Diese Härte in Verbindung mit der
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hervorragenden Oxydations-ZKorrosionsfestigkeit der
CoCrAlY-Grundmateriallegierung schafft einen vielseitigen
Überzug, der eine einzigartige Kombination von Eigenschaften hat, die unter einer Vielzahl von nachteiligen
Betriebsbedingungen ausgenutzt werden können, wobei zu solchen Eigenschaften eine viel bessere Haftfestigkeit,
Oxydationsbeständigkeit und Verschleißfestigkeit bei hohen
Temperaturen als bei den bekannten Hartmetallegierungen und Verbundüberzügen, die In einem Wickel- Chrom-Bindemittel
dispergierte Chromcarbidteilchen aufweisen, gehören.
Darüber hinaus kann der Überzug nach der Erfindung auf Substrate in wirtschaftlicher Weise durch das moderne
Plasmaspritzverfahren, das oben angegeben Ist, sowie durch andere Verfahren aufgetragen werden, wobei Überzugsdicken
von etwa 127 um bis etwa 762 pm typisch sind.
Gasturbinenlaufschaufeln der dritten Stufe, bei denen die Ummantelungsspitze mit einer 203 bis 254- pm dicken Verbundschicht
gemäß den Figuren überzogen war, wurden in einem Versuchsgasturbinentriebwerk getestet, in dem die
überzogenen Z-Kerbbereiche der Schaufelummantelungsspitzen an einander rieben. Die Temperatur, der die Ummantelungen
ausgesetzt waren, betrug 927 °C· Nach mehr als 500 h Triebwerksbetrieb
zeigten die überzogenen Schaufelummantelungsspitzen kein Anzeichen von Versagen. Der Verbundüberzug
wurde auf die Turbinenschaufelummantelungen durch das oben beschriebene moderne Plasmaspritzverfahren aufgetragen
und hatte eine Dichte von wenigstens 95% der theoretischen Dichte.
Die Erfindung ist zwar ausführlich in bezug auf eine spezielle CoCrAlY-Legierungszusammensetzung beschrieben worden,
es ist jedoch klar, daß diese Zusammensetzung lediglich
zu Erläuterungszwecken angegeben worden ist. Allgemein kann das Legierungsgrundmaterial des Verbundüberzugs eine Le-
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gierung des MCrAlY-Typs aufweisen, die Überzugslegierungen
umfaßt, welche im wesentlichen Chrom enthalten, beispielsweise mindestens 10 Gew.-%, im wesentlichen Aluminium,
beispielsweise wenigstens 6 Gew.-%,und Yttrium, andere seltene Erden oder sauerstoffaktive Elemente, wie Hafnium
und Silicium, wobei das Grundmetall der ÜberzugsIegierung
Nickel, Kobalt oder Eisen oder ein Gemisch derselben ist.
Vorzugsweise besteht die Überzugslegierung des MGrAlY-Typs
im wesentlichen aus 10-40 üev;.-% Cr, 8-30 Gew.-% Al, 0,01-5
Gevj.-fj Y, und der Rest wird aus der Gruppe ausgewählt,
die aus Nickel, Kobalt und Eisen besteht. Ein bevorzugtes Überzugslegierungsgrundraaterial für Turbinenschaufelspitzenummantelungen
umfaßt eine CoCrAlY-Verbindung, die im wesentlichen
folgende Zusammensetzung (in Gewichtsprozent) hat: 15-40% Cr, 10-25% Al, 0,01-5% Y, Rest im wesentlichen Kobalt.
Darüber hinaus kann die Größe der in dem Überzugslegierungsgrundmaterial dispergierten Chromcarbidteilchen nach Bedarf
geändert werden und liegt vorzugsweise in einem Bereich von etwa 5 um bis 40 um mittleren Durchmessers. Bei Bedarf
können die Carbidteilchen in einer nichtbeliebigen Weise in dem Grundmaterial dispergiert werden.
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Claims (10)
1. Überzogener Gegenstand mit verbesserter Oxydationsbeständigkeit
in Verbindung mit verbesserter Verschleißfestigkeit bei hohen Temperaturen, gekennzeichnet durch
ein Superlegierungssubstrat, welches einen schützenden
Verbundüberzug trägt, der ein Legienxngsgrundmaterial
des MCrAlY-Typs aufweist, wobei M aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Nickel, Kobalt und Eisen besteht,
und wobei Chromcarbidteilchen in dem Grundmaterial dispergiert sind.
des MCrAlY-Typs aufweist, wobei M aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Nickel, Kobalt und Eisen besteht,
und wobei Chromcarbidteilchen in dem Grundmaterial dispergiert sind.
2. Gegenstand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Überzugslegierungsgrundmaterial des MGrAlY-Typs
eine Zusammensetzung hat, die, gewichtsmgßig, im wesentlichen
besteht aus 10-4-0% Cr, 8-30% Al, 0,01-5% Y, Rest ausgewählt aus der Gruppe, die aus Nickel, Kobalt und
Eisen besteht.
Eisen besteht.
3· Gegenstand nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn-
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zeichnet, daß der Verbundüberzug zur Optimierung seines
Schutzvermögens eine Dichte hat, die wenigstens 95% der
theoretischen Dichte beträgt.
4-, Gegenstand nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß das Superlegierungssubstrat als Grundmetall
ein Element hat, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Nickel, Kobalt und Eisen besteht.
5. Gegenstand nach einem der Ansprüche 1 bis 4-, dadurch
gekennzeichnet, daß die Chromcarbidteilchen in dem Legierungsgrundmaterial regellos dispergiert sind.
6. Gegenstand nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Chromcarbidteilchen etwa 5 bis
etwa 85 Gew.-% des Uberzugsgewichts ausmachen.
7. Superlegierungsgasturbinenschaufel mit einer Z-Kerbe
an der Spitzenummantelung, die an der Z-Kerbe der benachbarten Schaufel reibt, gekennzeichnet durch einen schützenden
Verbundüberzug, der zur Verbesserung der Oxydationsund Verschleißfestigkeit auf die Z-Kerbe der Schaufelspitzenummantelung
aufgetragen ist und ein Legierungsgrundmaterial
des MCrAlY-T.yps mit darin dispergierten Chromcarbidteilchen
aufweist.
8. Schaufel nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß
das Legierungsgrundmaterial 10-40 Gew.-% Cr, 8-30 Gew.-% Al,
0,01-5 Gew.-% Y, Rest ausgewählt aus der Gruppe, die aus Nickel, Kobalt und Eisen besteht, enthält.
9· Schaufel nach Anspruch 7? dadurch gekennzeichnet, daß
das Legierungsgrundmaterial 15-40 Gew.-% Cr, 10-25 Gew.-%
Al, 0,01-5 Gew.-% Y, Rest Co, enthält.
909816/0738
10. Schaufel nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Chromcarbidteilchen in Mengen von etwa 10-30
Gew.-% vorliegen.
909816/0738
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