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Dokumentenidentifikation DE69828941T2 30.06.2005
EP-Veröffentlichungsnummer 0000919639
Titel HOCHTEMPERATURBESTÄNDIGES, SPRÜHBESCHICHTETES TEIL UND VERFAHREN ZU DEREN HERSTELLUNG
Anmelder Tocalo Co. Ltd., Kobe, JP
Erfinder HARADA, Yoshio, Akashi-shi, Hyogo 674-0057, JP;
SUIZU, Tatsuo, Kobe-shi, Hyogo 657-0833, JP;
TERATANI, Takema, Higashinada-ku, Hyogo 658-0025, JP
Vertreter Haseltine Lake Partners GbR, 81669 München
DE-Aktenzeichen 69828941
Vertragsstaaten CH, DE, FR, GB, LI
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 23.03.1998
EP-Aktenzeichen 989098165
WO-Anmeldetag 23.03.1998
PCT-Aktenzeichen PCT/JP98/01239
WO-Veröffentlichungsnummer 0098042888
WO-Veröffentlichungsdatum 01.10.1998
EP-Offenlegungsdatum 02.06.1999
EP date of grant 09.02.2005
Veröffentlichungstag im Patentblatt 30.06.2005
IPC-Hauptklasse C23C 4/10
IPC-Nebenklasse C23C 4/08   C23C 4/18   

Beschreibung[de]
TECHNISCHES GEBIET

Die Erfindung betrifft ein spritzbeschichtetes Bauteil für die Verwendung in einer Hochtemperaturumgebung mit ausgezeichneter Hochtemperaturoxidationsbeständigkeit als Hochtemperaturbauteil, wie einen Boiler, eine Gasturbine, ein Düsentriebwerk, einen Dieselmotor oder dergleichen, und ein Verfahren zu seiner Herstellung.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Es gibt viele Studien im Hinblick auf Hochdruckgeneratoren, wie einen Boiler, eine Gasturbine, ein Düsentriebwerk, ein Dieselmotor oder dergleichen, hauptsächlich zur Verbesserung der Wärmewirksamkeit. Die Verbesserung der Wärmewirksamkeit zwingt einem Bauteil (Material) aber eine starke thermische Belastung auf. Ein Metallmaterial, das in einem Hochtemperaturabschnitt des Hochdruckgenerators verwendet wird, muss daher ausgezeichnete Hochtemperaturoxidationsbeständigkeit und Hochtemperaturkorrosionsbeständigkeit besitzen. Insbesondere wenn ein Kraftstoff verwendet werden soll, der Verunreinigungen wie V, Na, S und dergleichen enthält, muss das Metallmaterial für einen langen Zeitraum unter einer solchen Umgebung im stabilen Zustand gehalten werden, weil anorganische Verbindungen, die diese Verunreinigungen enthalten, Metallmaterial bei Hochtemperatur stark korrodieren und verschleißen.

Zur Erfüllung dieser Anforderung hat man früher viele hitzebeständige Legierungen entwickelt, die im Wesentlichen aus Nicht-Eisen-Metallelementen bestehen, wie Cr, Ni, Mo, Co, W, Ta, Al, Ti und dergleichen, die als Superlegierungen bezeichnet werden.

Bei diesen hitzebeständigen Legierungen ist jedoch die Hochtemperaturfestigkeit am stärksten bevorzugt, so dass die zugegebene Menge eines Metallelements, das nicht der Verbesserung der Festigkeit dient, so klein wie möglich gehalten wird. Ein typisches Beispiel für ein Metallelement, das nicht der Verbesserung der Festigkeit dient, ist Cr, Al, Si oder dergleichen, aber diese Elemente verleihen ausgezeichnete Oxidationsbeständigkeit und Beständigkeit gegenüber Hochtemperaturkorrosion. Daher besitzt die Superlegierung, die bevorzugt die oben genannte Hochtemperaturfestigkeit erfordert, üblicherweise schlechte Oxidationsbeständigkeit und Beständigkeit gegenüber Hochtemperaturkorrosion.

Früher hat man Metallelemente, wie Cr, Al, Si oder dergleichen oder eine Legierung davon, durch ein Spritzverfahren, ein Diffusionsbehandlungsverfahren oder dergleichen, auf eine Oberfläche eines unter einer Hochtemperaturumgebung verwendeten Bauteils aus Superlegierung vorher aufgebracht, so dass die kleinere Beständigkeit der Superlegierung gegenüber chemischer Schädigung kompensiert wird.

Das herkömmliche Spritzverfahren hat den Vorteil, dass die Art des Spritzmaterials gegebenenfalls ausgewählt werden kann, es besteht aber der Nachteil, dass die erhaltene Beschichtung porös ist und schlechte Korrosionsbeständigkeit und Hafteigenschaften besitzt, weil die Behandlung an Luft durchgeführt wird.

In diesem Zusammenhang hat man vor kurzem ein Verfahren entwickelt, wobei Plasmaspritzen in einer Argongasatmosphäre bei niedrigem Druck durchgeführt wird, die im Wesentlichen keine Luft (keinen Sauerstoff) enthält (Niederdruck-Plasmaspritzverfahren). Dadurch hat man größtenteils die Nachteile beseitigt, die der Spritzbeschichtung unter Atmosphäre innewohnen. Man kann aber immer noch nicht sagen, dass eine solche Beschichtung unter einer neueren Umgebung ausreicht, die einer höheren Temperatur ausgesetzt ist.

Dagegen ist das herkömmliche Diffusionsbehandlungsverfahren vergleichsweise leicht, werden Cr, Al, Si und dergleichen einzeln behandelt, aber man kann kaum sagen, dass die Oxidationsbeständigkeit und die Beständigkeit gegenüber Hochtemperaturkorrosion ausreichend sind. Zudem muss diese Behandlung bei höherer Temperatur von etwa 1000°C durchgeführt werden, so dass sie den Nachteil besitzt, dass sich die mechanischen Eigenschaften der Superlegierungsmatrix verringern.

Unter den oben genannten Umständen schlägt JP-A-55-104471 ein Verfahren vor, wobei Ni-Cr-Legierung als oxidationsbeständiges Metall zur Durchführung einer Diffusionsbehandlung mit Al, Cr oder dergleichen gespritzt wird.

Bei diesem Verfahren kann die Hochtemperaturbehandlung aber nicht vermieden werden, so dass unvermeidbar die mechanischen Eigenschaften der Matrix kleiner werden, obwohl die Hafteigenschaften und die Dichte der Spritzbeschichtung verbessert werden.

Andererseits werden Spritzmaterialien für die Verwendung unter einer Hochtemperaturumgebung entwickelt. Ein übliches Material ist ein hitzebeständiges Legierungsmaterial, das durch MCrAlX veranschaulicht wird (wobei M ein Metall aus Ni, Co oder Fe oder ein Gemisch davon ist. X ist ein Element, wie Y, Hf, Ta, Cs, Pt, Ce, Zr, La, Si, Th oder dergleichen). Durch Plasmaspritzen der MCrAlX-Legierung unter Niederdruck kann eine Spritzschicht mit ausgezeichneter Oxidationsbeständigkeit und Beständigkeit gegenüber Hochtemperaturkorrosion hergestellt werden, und die Leistungen des Hochtemperaturbauteils sind besser. Zudem wird ein Verfahren vorgeschlagen, wobei die Diffusionsbehandlung mit Cr, Al oder dergleichen nach Herstellung der MCrAlX-Legierungsspritzbeschichtung durchgeführt wird (z.B. JP-B-61-10034).

Die Haltbarkeitsdauer des Bauteils für eine Gasturbine wird recht gut verbessert durch das obige neuere Spritzverfahren oder die Entwicklung einer Technik, die das Spritzverfahren und das Diffusionsbehandlungsverfahren kombiniert. Von der Gastemperatur der Gasturbine wird jedoch in Zukunft erwartet, dass sie 1500-1700°C erreicht.

Es wird erwartet, dass die Temperatur des Gasturbinenbauteils, das mit einem solchen Hochtemperaturgas in Kontakt kommt, die gegenwärtigen 900°C übersteigt und 950-1050°C betragen wird, sogar wenn das Bauteil mit einem Kühlmechanismus durch Luft oder Dampf ausgestattet wird. Zu diesem Zweck wird untersucht, wie die Hochtemperaturfestigkeit des Bauteils für die Gasturbine (Metallmatrix) verbessert werden kann.

Wird jedoch die Legierungsspritzschicht auf einem solchen Hochtemperaturbauteil (Metallsubstrat) durch das herkömmliche Verfahren hergestellt, ist zu befürchten, dass die folgenden Probleme hervorgerufen werden.

  • (1) Steigt die Temperatur, besteht in dem Hochtemperaturbauteil (Metallsubstrat) eine starke Tendenz, dass eine Legierungskomponente in einer Spritzschicht, beispielsweise aus einer MCrAlX-Legierung (wobei M ein oder mehr Elemente aus Ni, Co und Fe ist, X ein oder mehr Elemente aus Y, Hf, Ta, Cs, Pt, Ce, Zr, La, Si und Th ist), die auf der Oberfläche hergestellt wird, oder einer Verbundspritzschicht, die eine Diffusionsschicht darin enthält, in das Innere des Metallsubstrats diffundiert und eindringt, so dass eine dicke Versprödungsschicht in einem Grenzabschnitt zwischen der Spritzschicht und der Substratoberfläche entsteht, wodurch die Spritzschicht leicht abblättert.
  • (2) Unter den Komponenten der MCrAlX-Legierung, die in das Innere des Metallsubstrats eindringen, reagiert besonders Al mit im Metallsubstrat enthaltenem Ni unter Bildung einer spröden Intermetallverbindung, wie AlNi, AlCo oder dergleichen, und bewirkt, dass eine Hochtemperaturfestigkeitskomponente oder ein im Substrat vorhandener Niederschlag entfernt wird. Dadurch verringert sich die Hoctemperaturfestigkeit des Substrats als Ganzes, und es neigt zu Rissen oder lokalen Brüchen aufgrund von thermischer Ermüdung.
  • (3) Sogar in der MCrAlX-Legierungsspritzschicht diffundieren Ni, Cr und dergleichen, die Basisverbindungen sind, unter Bildung einer Versprödungsschicht, wodurch die Beständigkeit gegenüber Temperaturschock in der Beschichtung beträchtlich sinkt.

Man sagt, dass diese Probleme dadurch zustande kommen, dass die Komponenten der auf die Oberfläche des Substrats aufgebrachten MCrAlX-Legierungsspritzschicht in das Substrat diffundieren und eindringen. Es wird angenommen, dass das Verhindern von Diffusion und Eindringen der Legierungskomponenten der Spritzbeschichtung eine wirksame Gegenmaßnahme ist.

Als eine derartige Maßnahme gibt es ein Verfahren, wobei ein Metall mit hohem Schmelzpunkt (Nb, Ta) oder eine dünne Schicht (10-100 &mgr;m) eines Oxidfilms, wie Al2O3, direkt auf der Oberfläche des Substrats durch ein Spritzverfahren oder ein PVD-Verfahren hergestellt wird und die herkömmliche MCrAlX-Legierungsspritzschicht darauf hergestellt wird, so dass die interne Diffusion der MCrAlX-Legierungskomponenten kontrolliert werden kann.

Bei diesem Verfahren wird aber ein von den MCrAlX-Legierungskomponenten verschiedenes, teures Metall verwendet, oder das PVD-Verfahren, das einen Elektronenstrahl als Wärmequelle verwendet, wird zur Herstellung des Al2O3-Films verwendet, so dass verschiedene Filmbildungsverfahren verwendet werden müssen und die Produktivität gesenkt wird.

Zudem beseitigt das Verhindern der internen Diffusion der Legierungskomponenten durch dieses Verfahren die Diffusionsschicht, die zur Gewährleistung einer Haftung zwischen dem Substrat und der Spritzschicht erforderlich ist, wodurch sich die Hafteigenschaften der Beschichtung beträchtlich verringern.

Deshalb ist es eine Aufgabe der Erfindung, die obengenannten Probleme der herkömmlichen Verfahren zu lösen und ein Beschichtungsverfahren vorzuschlagen, mit dem sich Probleme lösen lassen, wie eine kleinere Produktivität, Verunreinigung der Legierungsbeschichtung durch Aufnahme eines anderen Metalls, Kostensteigerung durch Verwendung eines anderen Beschichtungsverfahrens und dergleichen.

US 4 451 496 (Gedwill et al.) umfasst ein beschichtetes Bauteil mit einer Basisschicht aus einer Metalllegierung mit dispergiertem Oxid, die mittels Plasmaspritzen auf das Substrat aufgebracht wird, und einer Abschlussschicht aus einer Legierung von Nickel, Kobalt oder Eisen, die mittels Plasmaspritzen auf die Basisschicht aufgebracht wird.

US 5 967 775 (Czech et al.) offenbart eine Beschichtung für einen Körper, die eine metallische Abdeckschicht umfasst, die direkt auf die Außenseite des Körpers aufgebracht wird, sowie eine metallische Anreicherungsschicht, die einen Teil des Körpers überdeckt. Die metallische Anreicherungsschicht kann durch Zugabe von Aluminium oder Chrom zum Material des Körpers oder zur metallischen Abdeckschicht gebildet werden.

JP 61010034 (Mitsubishi Heavy Ind Ltd) offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines Metallmaterials mit besserer Korrosionsbeständigkeit und Oxidationsbeständigkeit bei hoher Temperatur. Das Metallmaterial kann Cr, Ni, Al und/oder Co enthalten und wird mittels Schmelzspritzen oder Dampfabscheidung unter Bildung eines Films auf die Substratoberfläche aufgebracht. Außerdem erfolgt Diffusion oder Eindringen von Al oder Cr in die Substratoberfläche zur Verbesserung der Oxidations- und Korrosionsbeständigkeit.

OFFENBARUNG DER ERFINDUNG

Unter einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein spritzbeschichtetes Bauteil bereitgestellt zur Verwendung in einer Hochtemperaturumgebung, umfassend eine Verbundspritzbeschichtung, welche umfasst:

eine oxidhaltige Grundierungsspritzschicht, die erhalten wird durch Spritzen eines Spritzmaterials aus einer MCrAlX-Legierung (wobei M ein oder mehr der Elemente Ni, Co und Fe ist und X ein oder mehr der Elemente Y, Hf, Ta, Cs, Pt, Ce, Zr, La, Si und Th ist), das ein oder mehr Oxide enthält, die aus CoO, NiO, Cr2O3, Al2O3, Y2O3, MgO, SiO2, ZrO2 und TiO2 ausgewählt sind, auf eine Oberfläche eines hitzebeständigen Legierungssubstrates unter einer Niederdruckatmosphäre, die im Wesentlichen keinen Sauerstoff enthält,

eine Nicht-Oxid-Abschlussspritzschicht, die erhalten wird durch Spritzen eines Spritzmaterials aus einer MCrAlX-Legierung (wobei M ein oder mehr der Elemente Ni, Co und Fe ist und X ein oder mehr der Elemente Y, Hf, Ta, Cs, Pt, Ce, Zr, La, Si und Th ist) auf die Grundierung unter einer Niederdruckatmosphäre, die im Wesentlichen keinen Sauerstoff enthält,

dadurch gekennzeichnet, dass eine Al-Diffusionsschicht auf der oxidhaltigen Grundierung hergestellt wird und eine hitzeabschirmende Schicht auf der Oberfläche der Abschlussspritzschicht hergestellt wird, die aus einer Oxidkeramik besteht.

Unter einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren bereitgestellt zur Herstellung eines spritzbeschichteten Bauteils zur Verwendung in einer Hochtemperaturumgebung, wobei

  • (1) eine oxidhaltige Grundierungsspritzschicht hergestellt wird durch Spritzen eines MCrAlX-Legierungsmaterials (wobei M ein oder mehr der Elemente Ni, Co und Fe ist und X ein oder mehr der Elemente Y, Hf, Ta, Cs, Pt, Ce, Zr, La, Si und Th ist), das ein oder mehr Oxide enthält, die aus CoO, NiO, Cr2O3, Al2O3, Y2O3, MgO, SiO2, ZrO2 und TiO2 ausgewählt sind, auf eine Oberfläche eines hitzebeständigen Legierungssubstrats unter einer Niederdruckatmosphäre, die im Wesentlichen keinen Sauerstoff enthält;
  • (2) eine Nicht-Oxid-Abschlussspritzschicht darauf hergestellt wird durch Spritzen eines MCrAlX-Legierungsmaterials (wobei M ein oder mehr der Elemente Ni, Co und Fe ist und X ein oder mehr der Elemente Y, Hf, Ta, Cs, Pt, Ce, Zr, La, Si und Th ist) auf die Grundierung unter Niederdruck, der im Wesentlichen keinen Sauerstoff enthält, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren zudem die folgenden Schritte umfasst;
  • (3) nach der Herstellung der Grundierungs- und der Abschlussschicht wird zudem eine Al-Diffusionsbehandlung auf der oxidhaltigen Grundierung durchgeführt, so dass die Al-Konzentration in jedem Oberflächenabschnitt erhöht wird; und
  • (4) eine hitzeabschirmende Schicht wird hergestellt durch Spritzen einer Oxidkeramik nach Herstellung der Abschlussschicht bei der Herstellung der Verbundspritzschicht durch Spritzen.

Die Al-Diffusionsbehandlung von Schritt (3) kann zudem auf der Abschlussspritzschicht erfolgen, so dass auf deren Oberfläche eine Al-Diffusionsschicht gebildet wird.

Die Erfindung liegt nicht in einem Verfahren, bei dem eine andere Filmbildungsmaßnahme und ein anderes Metall als bei dem herkömmlichen Verfahren verwendet werden, sondern in einem Verfahren zur Herstellung einer Beschichtung mit ausgezeichneter Beständigkeit gegenüber Hochtemperaturoxidation unter Verwendung der gleichen Filmbildungsmaßnahme, des gleichen Metalls und des gleichen Metalloxids.

D.h., bevorzugte erfindungsgemäße Ausführungsformen stellen Verfahren bereit, die auf den folgenden Überlegungen basieren.

  • (1) Es soll verhindert werden, dass die Komponenten in der MCrAlX-Legierungsspritzschicht, die auf der Oberfläche des Bauteils hergestellt wird, das hoher Temperatur ausgesetzt ist, mit der Erhöhung der Temperatur in der Gasturbine schnell in das Innere des Substrats diffundieren.
  • (2) Es sollen gute mechanische Eigenschaften über einen langen Zeitraum aufrechterhalten werden, indem die Bildung und das Wachstum einer modifizierten Schicht mit schlechter mechanischer Festigkeit und schlechter Wärmefestigkeit auf der Oberfläche eines Hochtemperatursubstrats verhindert werden.
  • (3) Es sollen die Verwendung eines anderen Filmbildungsverfahrens, wie die Bildung einer Al2O3-Dünnfilm-Grundierungsschicht durch ein PVD-Verfahren oder dergleichen, beseitigt werden und eine MCrAlX-Legierungsspritzschicht durch ein Spritzverfahren hergestellt werden.
  • (4) Es soll die Notwendigkeit beseitigt werden, dass ein anderes Metall mit hohem Schmelzpunkt, wie Nb, Ta oder dergleichen, als Grundierung vor dem Spritzen der MCrAlX-Legierung gespritzt werden muss.
  • (5) Es soll verhindert werden, dass die Beständigkeit gegenüber Hochtemperaturoxidation aufgrund eines Metalls abnimmt, wie Nb, Ta oder dergleichen, das in die MCrAlX-Legierung aufgenommen wird, wenn die Leitung nicht ausreichend gesäubert wird.
  • (6) Beim herkömmlichen Verfahren verringert der als untere Schicht hergestellte Dünnfilm, beispielsweise Al2O3, Nb, Ta oder dergleichen, die Hafteigenschaften der MCrAlX-Legierungsbeschichtung als obere Schicht, so dass der Film schwierig herzustellen ist (wird die interne Diffusion der MCrAlX-Legierung durch Al2O3 oder dergleichen verhindert, verursacht dies Abblättern aufgrund der kleineren Hafteigenschaften, werden dagegen die Hafteigenschaften verbessert, diffundiert die Legierung tiefer in das Innere des Substrats, wodurch sich die mechanischen Eigenschaften des Substrats selbst verringern). Erfindungsgemäß kann der Film durch ein einfaches Verfahren hergestellt werden, ohne dass die obige komplizierte Kontrolle nötig ist.

Anhand solcher Überlegungen entwickelte bevorzugte Ausführungsform sind die Folgenden:

  • (1) Verbundspritzbeschichtungen, die erhalten werden durch direktes Aufbringen einer MCrAlX-Legierung, die ein Oxid wie CoO, NiO und dergleichen enthält, auf eine Oberfläche eines Substrats aus einem Bauteil, das einer hohen Temperatur ausgesetzt ist, in einer Dicke von 10-500 &mgr;m durch ein Niederdruck-Plasmaspritzverfahren im Wesentlichen ohne Sauerstoff und anschließendes Aufbringen der gleichen MCrAlX-Legierung, die kein Oxid enthält, darauf in einer Dicke von 100-800 &mgr;m durch ein Niederdruck-Plasmaspritzverfahren in einer nichtoxidierenden Atmosphäre.
  • (2) Das Oxidpulver, das mit der MCrAlX-Legierung gemischt werden soll, wird in einer Menge von 0,2-20 Gew.-% verwendet, und das Gemisch wird in einer nichtoxidierenden Atmosphäre gespritzt, wobei eine Grundierung mit einer Dicke von 10-500 &mgr;m auf dem Substrat aus einem einer hohen Temperatur ausgesetzten Bauteil gebildet wird, und dann wird die MCrAlX-Legierung, die kein Oxid enthält, darauf unter einer nicht-oxidierenden Atmosphäre gespritzt, so dass eine Abschlussschicht mit einer Dicke von 10-800 &mgr;m gebildet wird.
  • (3) Eine Al-Diffusion wird auf jeder Oberfläche der Spritzschichten durchgeführt, die durch das Verfahren von Punkt (1) und (2) gebildet werden, so dass zudem eine hohe Beständigkeit gegen Hochtemperaturoxidation bereitgestellt wird.
  • (4) Eine hitzeabschirmende Schicht aus einer Oxidkeramik wird zudem auf der Oberfläche der Abschlussspritzschicht hergestellt.

Es ist erfindungsgemäß bevorzugt, dass die Gesamtmenge der Oxidpulver, die in die Grundierungsspritzbeschichtung eingebracht werden, im Bereich von 0,2-20 Gew.-% liegt. Zudem ist ein so genannte graduelle Compoundierung bevorzugt, so dass die Compoundierungsmenge in Richtung zum Substrat allmählich zunimmt.

Erfindungsgemäß ist bevorzugt, dass die Grundierungsspritzbeschichtung eine Dicke von 10-500 &mgr;m und die Abschlussspritzbeschichtung eine Dicke von 100-800 &mgr;m besitzt.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Es zeigt:

1 eine schematische Teilansicht einer Querschnittsstruktur in einem erfindungsgemäßen spritzbeschichteten Bauteil,

2 eine schematische Teilansicht einer Querschnittsstruktur in einem anderen erfindungsgemäßen, mit einer Verbundspritzbeschichtung versehenen Bauteil,

3 eine schematische Teilansicht einer Querschnittsstruktur in dem anderen erfindungsgemäßen, mit einer Verbundspritzbeschichtung versehenen Bauteil.

BESTES VERFAHREN ZUR DURCHFÜHRUNG DER ERFINDUNG

Die Erfindung schlägt eine Verbundbeschichtung aus einer MCrAlX-Legierung, die gute Hafteigenschaften und eine ausgezeichnete Beständigkeit gegenüber Hochtemperaturoxidation trotz eines gewissen Ausmaßes an Diffusion in das Innere eines Substrats besitzt, und ein Verfahren zur Beschichtung einer Oberfläche damit vor. Die Einzelheiten der Struktur der Verbundbeschichtung sind im folgenden beschrieben.

A. Grundierungsspritzschicht aus einer MCrAlX-Legierung und deren Herstellung

Als zu behandelndes Substrat wird Legierung auf Ni-Basis, Legierung auf Co-Basis oder dergleichen verwendet, die häufig als Gasturbinenschaufel eingesetzt wird. Die Oberfläche des Substrats wird entfettet und durch eine Strahlbehandlung aufgeraut. Danach wird ein Gemisch aus MCrAlX-Legierung und einem oder mehr Oxiden, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus (1) Oxiden der MCrAlX-Legierung; CoO, NiO, Cr2O3, Al2O3, Y2O3 und (2) anderen Oxiden; MgO, SiO2, ZrO2 und TiO2 in einer Dicke von 10-500 &mgr;m in einer nicht-oxidierenden Atmosphäre aufgebracht, die im Wesentlichen kein Oxid enthält, so dass eine Grundierungsschicht hergestellt wird.

Die Teilchengröße des obigen Oxidpulvers liegt bevorzugt in einem Bereich von 0,1-50 &mgr;m, und zudem liegt die zu der obigen MCrAlX-Legierung hinzugegebene Menge in einem Bereich von 0,2-20 Gew.-%. Ist die Teilchengröße kleiner als 0,1 &mgr;m, verdampft das Oxid häufig in der für das Spritzen verwendeten Wärmequelle. Übersteigt sie 50 &mgr;m, ist das Schmelzen schwierig, und das Oxid tritt in die Grundierung im ungeschmolzenen Zustand ein. Dadurch wird die Grundierung spröde und neigt zu Rissen.

Beträgt die zugegebene Menge Oxidpulver weniger als 0,2 Gew.-%, kann die Diffusionsreaktion der MCrAlX-Legierungsschichtkomponenten in das Innere des Substrats nicht ausreichend kontrolliert werden, wird das zu behandelnde Bauteil einer höheren Temperatur ausgesetzt. Beträgt sie dagegen mehr als 20 Gew.-%, diffundiert nur eine kleine Menge in das Innere des Substrats, und die Hafteigenschaften der Legierungsbeschichtung werden unerwünscht klein.

Das zur MCrAlX-Legierung gegebene Oxidpulver kann außerdem durch mechanisches Mischen (z.B. ein mechanisches Legierungsverfahren) oder durch Granulieren mit einem klebrigmachenden Mittel oder durch ein Verfahren hergestellt werden, bei dem das Oxidpulver mit schmelzflüssiger Legierung gemischt und dann pulverisiert wird oder dergleichen.

Aus dem Vorstehenden ist ersichtlich, dass erfindungsgemäß das Oxidpulver in die Grundierungsspritzschicht eingebracht wird, die auf der Substratoberfläche gebildet wird. Als Eigenschaft dieser Spritzbeschichtung diffundieren die Komponenten der MCrAlX-Legierungspartikel in das Substratinnere, aber das Oxidpufver diffundiert nicht. Daher sagt man, dass die Diffusion in das Substratinnere klein wird, ist viel Oxidpulver in der Grundierung zugegen.

Erfindungsgemäß ist es bei der Herstellung der Grundierungsspritzschicht der oxidhaltigen MCrAlX-Legierung vorteilhaft, führt man eine so genannte Compoundierung mit graduell ansteigender Konzentration des Oxidpulvers derart durch, dass der Gehalt an Oxidpulver auf der Seite des Substrats groß und im Oberflächenanteil klein ist. Der Grund dafür ist, dass die Grundierungsspritzschicht mit der graduell ansteigenden Konzentration des Oxidpulvers die Diffusion der MCrAlX-Legierungskomponenten in das Substratinnere effizient regulieren kann und zudem eine ausgezeichnete Haftung an der Abschlussschicht aufweist.

Bei der Spritzschicht aus der oxidhaltigen MCrAlX-Legierung für die Grundierung treten folgende Probleme im Hinblick auf die Beständigkeit gegen Hochtemperaturoxidation auf.

  • 1) Die Oxidpulver- und MCrAlX-Legierungspartikel in der Grundierungsspritzschicht sind bei der Herstellung der Schicht nicht miteinander verschmolzen, so dass mikroskopische Lücken erhalten werden.
  • 2) Die korrosiven Komponenten in der Umgebung (korrosive Komponenten im Verbrennungsgas) dringen in die Beschichtung durch die mikroskopischen Lücken ein und senken die Beständigkeit gegen Hochtemperaturoxidation in der Beschichtung. Als Gegenmaßnahme verwenden erfindungsgemäße Ausführungsformen die folgenden Maßnahmen.

    (a) Die Oberfläche der Grundierungsspritzschicht aus der oxidhaltigen MCrAlX-Legierung wird einer Al-Diffusionsbehandlung unterworfen.

    (b) Zudem wird die Beschichtung aus einer MCrAlX-Legierung, die kein Oxid enthält, auf der Oberfläche der Grundierungsspritzschicht aus der oxidhaltigen MCrAlX-Legierung durch ein Niederdruck-Plasmaspritzverfahren gebildet.

Hinsichtlich der Al-Diffusionsbehandlung auf die Oberfläche der Grundierungsspritzschicht aus MCrAlX-Legierung, die Oxidpulver enthält, lässt sich folgendes sagen: Wie bereits erwähnt, sind die Oxidpulver- und die MCrAlX-Legierungspartikel nicht miteinander verschmolzen, so dass die erhaltene Beschichtung als solche eine schlechte Hochtemperaturoxidationsbeständigkeit besitzt. Deshalb wird die Grundierungsspritzschicht erfindungsgemäß der Al-Diffusionsbehandlung unterworfen, wodurch die Verschmelzung der Oxidpulver- und MCrAlX-Legierungspartikel auf der Oberfläche versucht und zudem der Al-Gehalt verbessert wird, so dass die Hochtemperaturoxidationsbeständigkeit größer wird.

Als Verfahren für die Al-Diffusionsbehandlung kann ein Pulververfahren verwendet werden (das zu behandelnde Bauteil wird in Pulver aus Al-Metall, Al-Legierungspulver, Al2O3, Halogenid oder dergleichen eingebettet und bei 900-1100°C 3-10 Stunden erhitzt), ein chemisches Abscheidungsverfahren (Al-Metall wird durch thermische Zersetzung einer organischen oder anorganischen Al-Verbindung oder deren Reduktionsreaktion mit Wasserstoff ausgefällt und an die Oberfläche des zu behandelnden Bauteils gebunden), ein physikalisches Abscheidungsverfahren (AI wird durch eine Wärmequelle, wie einen Elektronenstrahl oder dergleichen, verdampft und an die Oberfläche des zu behandelnden Bauteils gebunden) oder dergleichen.

Die Oberfläche der Grundierungsspritzschicht, die der Al-Diffusionsbehandlung unterworfen wird, besitzt ausgezeichnete Hochtemperaturoxidationsbeständigkeit und kann als solche unter den Gebrauchsumgebungsbedingungen eingesetzt werden.

Wird die Spritzschicht aus der erwähnten oxidhaltigen MCrAlX-Legierung auf die Substratoberfläche als Grundierung aufgebracht, behindert das erwähnte Oxid die Diffusion der MCrAlX-Legierung, sogar wenn die Temperatur der Gebrauchsumgebung nicht kleiner als 1000°C ist, und somit wird die hohe Diffusion in das Innere des Substrats beseitigt. Das in der Spritzschicht aus der MCrAlX-Legierung vorhandene Oxid ist jedoch ungleichmäßig verteilt. Zudem werden oft aufgrund von Strömung in der Plasmawärmequelle die Eigenschaften des Oxids selbst unvollständig verglichen mit dem stöchiometrischen Oxid. Andererseits sind in der Legierung viele nicht-oxidierte Partikel vorhanden.

Die Dicke der Grundierungsspritzschicht liegt im Bereich von 100-500 &mgr;m, vorzugsweise im Bereich von 50-100 &mgr;m. Ist sie kleiner als 10 &mgr;m, ist es schwierig, die Beschichtung mit dem Spritzverfahren in gleichmäßiger Dicke herzustellen. Übersteigt sie dagegen 500 &mgr;m, wirkt sie nicht so gut als Diffusionsschranke und ist unökonomisch.

Wird diese Spritzschicht auf höhere Temperatur erhitzt, tritt deshalb etwas Diffusion in das Substratinnere auf. Erfindungsgemäß wird die Abschlussschicht auf der Grundierung hergestellt durch Spritzen der MCrAlX-Legierung ohne Oxid mithilfe eines Spritzverfahrens, das im Wesentlichen kein Oxid enthält, wie im Folgenden beschrieben.

B. Abschlussspritzschicht aus MCrAlX-Legierung und ihre Herstellung

Die Grundierungsspritzschicht aus der oxidhaltigen MCrAlX-Legierung hat eine kleine Diffusionsrate in das Innere des Substrats, aber auch eine kleine Bindungskraft zwischen den Teilchen, die die Beschichtung als solche ausmachen. Zudem ist sie porös, so dass das Problem auftritt, dass das zu behandelnde Bauteil (z.B. eine Turbinenschaufel) bei hoher Temperatur oxidiert oder einer Hochtemperaturkorrosion durch eine Brenngaskomponente unterliegt, die durch die Poren der Beschichtung eintritt, wird es unter der Betriebsumgebung einer Gasturbine bei hoher Temperatur verwendet.

Zur Lösung dieses Problems wird erfindungsgemäß zudem eine Abschlussspritzschicht aus einer MCrAlX-Legierung, die kein Oxid enthält, auf der Oberfläche der Grundierungsspritzbeschichtung oder der Grundierungsspritzbeschichtung, die einer Al-Diffusionsbehandlung unterworfen wurde, durch ein Niederdruck-Plasmaspritzverfahren in einer nicht-oxidierenden Atmosphäre hergestellt. Die Abschlussspritzschicht besitzt eine starke Bindungskraft zwischen den Teilchen und gute Hafteigenschaften an die Grundierungsspritzschicht.

Nach Herstellung der Abschlussspritzschicht sind die Poren der Abschlussspritzschicht vollständig verschwunden, wird eine Hitzebehandlung an Luft oder einer Argonatmosphäre oder unter Vakuum bei 1000-1170°C 1-5 Stunden durchgeführt, wodurch die Beständigkeit gegenüber Hochtemperaturoxidation und die Beständigkeit gegenüber Hochtemperaturkorrosion genügend verbessert werden können.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird die Oberfläche der Beschichtung nach der Herstellung der Abschlussspritzschicht der gleichen Al-Diffusionsbehandlung unterworfen, wie oben erwähnt. Dadurch wird eine Schicht mit hoher Al-Konzentration und ausgezeichneter Oxidationsbeständigkeit auf der äußersten Oberfläche der Abschlussspritzschicht hergestellt, und es entwickelt sich zudem eine stärkere Bindungskraft zwischen den Teilchen, die die Abschlussschicht ausmachen.

Als Al-Diffusionsbehandlung kann das gleiche Verfahren verwendet werden, wie oben erwähnt.

Die Dicke der Abschlussspritzschicht liegt im Bereich von 100-800 &mgr;m, vorzugsweise im Bereich von 200-500 &mgr;m. Ist sie kleiner als 100 &mgr;m, ist die Beständigkeit gegenüber Hochtemperaturoxidation zu klein. Übersteigt sie dagegen 800 &mgr;m, werden die Leistungen als Beschichtung nicht sehr stark verbessert, und sie ist unökonomisch.

Zwar ist die Herstellung der Grundierungsspritzschicht und der Abschlussspritzschicht durch Verwendung des Niederdruck-Plasmaspritzverfahrens beschrieben, aber das folgende Verfahren kann hinsichtlich Funktion und Mechanismus verwendet werden. D.h. das Niederdruck-Plasmaspritzverfahren, das die Filmbildung in einer Atmosphäre im Wesentlichen ohne Sauerstoff durchführt, ist optimal, aber ein Druckplasmaspritzverfahren oder ein Spritzverfahren unter Verwendung eines Lasers als Wärmequelle können verwendet werden, enthält die Atmosphäre im Wesentlichen keinen Sauerstoff. Zudem kann man sagen, dass es möglich ist, die Beschichtung durch ein Abscheidungsverfahren unter Verwendung eines Elektronenstrahls als Wärmequelle in einem Vakuumgefäß herzustellen.

Die chemischen Komponenten der bei der Erfindung verwendeten Spritzbeschichtung werden wie oben erwähnt als MCrAlX-Legierung bezeichnet, und eine übliche Zusammensetzung der Legierung ist im Folgenden gezeigt.

M-Komponente: Ni (0-75 Gew.-%), Co (0-70 Gew.-%), Fe (0-30 Gew.-%)

Cr-Komponente: 5-10 Gew.-%

Al-Komponente: 1-29 Gew.-%

X-Komponente: Y (0-5 Gew.-%), Hf (0-10 Gew.-%)

Erfindungsgemäß können, wenn nötig, zusätzlich zu den obigen Komponenten zugegeben werden: Ta (1-20 Gew.-%), Si (0,1-14 Gew.-%), B (0-0,1 Gew.-%), C (0-0,25 Gew.-%), Mn (0-10 Gew.-%), Zr (0-3 Gew.-%), W (0-5,5 Gew.-%), Cs, Ce, La (jeweils 0-5 Gew.-%), Pt (0-20 Gew.-%) und dergleichen.

Erfindungsgemäß ist zudem die hitzeabschirmende Schicht, die auf der Oberfläche der Abschlussspritzschicht gebildet wird, vorzugsweise eine Oxidkeramik, die hauptsächlich aus ZrO2 besteht, das zur Stabilisierung oder teilweisen Stabilisierung des ZrO2-Kristalls mit 4-30 Gew.-% von ein oder mehr aus Y2O3, CaO, MgO, CeO2 und dergleichen versetzt ist, oder es können MgO-Al2O3, ZrO2-Al2O3 oder dergleichen verwendet werden.

1 zeigt schematisch eine Querschnittsstruktur einer Basis-Verbundspritzbeschichtung,

wobei eine Grundierung 2 aus einer oxidhaltigen MCrAlX-Legierung auf einem Bauteil 1, das behandelt werden soll, durch ein Niederdruck-Plasmaspritzverfahren hergestellt wird, und eine Abschlussschicht 3 aus MCrAlX-Legierung darauf durch ein Niederdruck-Plasmaspritzverfahren hergestellt wird.

Ferner zeigt 2 eine Querschnittsstruktur der Beschichtung, wird der Gehalt an Oxidpulver in der Grundierungsspritzschicht graduell verändert. Sind Schichten einer Hochtemperaturumgebung ausgesetzt, reguliert das in der Grundierungsspritzschicht enthaltene Oxidpulver die starke Diffusion der Beschichtungskomponenten aus MCrAlX-Legierung in das Innere des zu behandelnden Bauteils. Die dichte Abschlussspritzschicht verhindert dagegen das Eindringen von korrosivem Gas von außen.

Siehe 3: Wird zu diesem Zweck die hitzeabschirmende Schicht aus ZrO2-Oxidkeramik, die teilweise mit CaO, MgO, CeO2 oder dergleichen stabilisiert ist, auf der Oberfläche der Abschlussspritzschicht gebildet, kann die Temperatur, der das zu behandelnde Bauteil ausgesetzt ist, gesenkt werden. Die interne Diffusionsrate der Grundierung wirkt so weiter gesenkt.

BEISPIELE

Es werden in den folgenden Beispielen verschiedene Arten der Spritzmaterialien aus MCrAlX-Legierung verwendet, und ihre chemischen Zusammensetzungen sind in Tabelle 1 gezeigt. D.h. die Spritzmaterialien können grob unterteilt werden in ein Legierungsspritzmaterial, das kein Ni enthält (A), ein Legierungsspritzmaterial, das kein Co enthält (B, C, D, E), ein Legierungsmaterial, das Ni und Co enthält (F, G), und ein Material, das durch Zugabe von 5 Gew.-% Ta, das in den anderen Legierungen nicht enthalten ist, zur Legierung G erhalten wird.

Wird in den folgenden Beispielen zudem eine hitzeabschirmende Schicht hergestellt, wird diese aus einer Oxidkeramik auf der Oberfläche der Abschlussspritzschicht gebildet.

Tabelle 1
Beispiel 1

Bei diesem Beispiel wurden die Hafteigenschaften der Beschichtungen untersucht. Dazu wurde die erfindungsgemäße Verbundspritzbeschichtung aus MCrAlX-Legierung, die auf einem Legierungssubstrat auf Ni-Basis hergestellt wurde, einem Temperaturschocktest unterworfen.

A. Teststück: (1) Verbundspritzschicht aus MCrAlX-Legierung mit oxidhaltiger Grundierung

Als Substrat, das gespritzt werden sollte, wurde ein Teststück mit 30 mm Breite × 50 mm Länge × 5 mm Dicke aus der Legierung auf Ni-Basis hergestellt (15,3 Gew.-% Ni – 7 Gew.-% Fe – 2,5 Gew.-% Ti – 2 Gew.-% Mo – 10 Gew.-% Co – Rest Ni).

Als Spritzmaterial wurde ein gemischtes Pulver aus MCrAlX-Legierung (B, C, D, E, F – Tabelle 1), das mit 0,8 Gew.-% Al2O3, Y2O3 oder MgO versetzt war, durch ein Niederdruck-Plasmaspritzverfahren gespritzt, so dass eine 300 &mgr;m dicke Grundierung hergestellt wurde. Zudem wurde ein Teil der Teststücke einer erfindungsgemäßen Al-Diffusionsbehandlung (900°C × 4 Std.) durch ein Pulververfahren unterworfen.

Auf der Oberfläche der Grundierungsspritzschicht wurde eine Abschlussspritzschicht mit einer Dicke von 300 &mgr;m unter Verwendung der MCrAlX-Legierung ohne Oxidpulver durch ein Niederdruck-Plasmaspritzvertahren hergestellt (Gesamtdicke 600 &mgr;m).

(2) Spritzschicht aus MCrAlX-Legierung des Vergleichsbeispiels ohne oxidhaltige Grundierung

Auf dem obigen Substrat aus einer Legierung auf Ni-Basis wurde die Beschichtung aus der MCrAlX-Legierung ohne Oxid in einer Dicke von 600 &mgr;m durch das Niederdruck-Plasmaspritzverfahren hergestellt.

B. Temperaturschock-Testverfahren:

Ein Arbeitsgang wurde 25 Mal wiederholt, bei dem ein Zyklus aus dem Erhitzen des Teststücks der Spritzschicht in einem elektrischen Ofen bei 1000°C × 15 Minuten und dem anschließenden Überführen in Wasser bei 25°C bestand. Das Aussehen des Teststücks wurde untersucht.

C. Ergebnisse:

Die experimentellen Ergebnisse sind in Tabelle 2 gezeigt. Aus der Tabelle ist ersichtlich, dass die Legierungsspritzschichten des Vergleichsbeispiels (Nr. 13-17) eine gute Beständigkeit gegen Temperaturschock besaßen und die Beschichtung sogar nach 25-maligem Wiederholen von Erhitzen und Abkühlen in Wasser kein anomales Aussehen aufwies. Als Grund dafür wird angenommen, dass die aus der MCrAlX-Legierung hergestellte Beschichtung, die durch das Niedrdruck-Plasmaspritzverfahren dicht ist und eine gute Bindungsfestigkeit zwischen den Partikeln aufweist, durch die Diffusion stark an das Substrat bindet. Bei der Beschichtung des Vergleichsbeispiel wurde jedoch beobachtet, dass die Schicht erheblich in einer Tiefe von 80-120 &mgr;m in das Innere des Substrats diffundierte. Somit nimmt die Festigkeit im Diffusionsabschnitt des Substrats erheblich ab.

Dagegen regulierten die Teststücke, die mit der Grundierung aus MCrAlX-Legierung mit Oxidpulver ausgestattet waren, (Nr. 1-12) die Diffusion der Legierungskomponenten in das Substratinnere und zeigten sogar nach 25-maligem Temperaturschocktest unter den obigen Testbedingungen keinen anomalen Zustand. Es wurde bestätigt, dass sie gute Hafteigenschaften besaßen. Die erfindungsgemäßen Beschichtungen zeigten ferner nach der Al-Diffusionsbehandlung der Grundierung (Nr. 1, 5, 9, 12) eine gute Beständigkeit gegen Temperaturschock.

Tabelle 2
Beispiel 2

Bei diesem Beispiel wurden ein Test bezüglich Hochtemperaturkorrosion und ein Test bezüglich Hochtemperatursulfurierung an den Produkten durchgeführt, die durch Herstellen der erfindungsgemäßen Verbundspritzschicht aus MCrAlX-Legierung auf einem Substrat aus einer Legierung auf Co-Basis erhalten wurden, wobei die Beständigkeit gegenüber einer Hochtemperaturumgebung untersucht wurde.

A. Teststück: (1) Verbundspritzschicht aus einer MCrAlX-Legierung mit oxidhaltiger Grundierung

Ein Teststück mit 30 mm Breite × 50 mm Länge × 5 mm Dicke wurde unter Verwendung der folgenden Legierung auf Co-Basis als zu bespritzendes Substrat hergestellt.

Legierung auf Co-Basis: 29,5 Gew.-% Cr – 10,5 Gew.-% Ni – 7,0 Gew.-% W -2 Gew.-% Fe – Rest Co

Eine Grundierung mit 300 &mgr;m Dicke wurde unter Verwendung von MCrAlX-Legierung (A, C), die mit 1,0 Gew.-% Al2O3, SiO2, TiO2 oder ZrO2 versetzt war, als Spritzmaterial durch das Niederdruck-Plasmaspritzverfahren hergestellt. Auf einigen Teststücken wurde auf der Grundierungsspritzschicht eine Abschlussschicht mit 300 &mgr;m Dicke unter Verwendung der MCrAlX-Legierung ohne Oxidpulver (A, C) durch das Niederdruck-Plasmaspritzverfahren hergestellt. Zudem wurden erfindungsgemäße Produkte bereitgestellt, die durch Unterwerfen der Grundierung und der Abschlussschicht jeweils einer Al-Diffusionsbehandlung durch ein Pulververfahren erhalten wurden.

(2) Spritzbeschichtung aus MCrAlX-Legierung des Vergleichsbeispiels
  • a. Auf dem obigen Substrat aus einer Legierung auf Ni-Basis und auf dem Substrat aus einer Legierung auf Co-Basis wurde jeweils eine Beschichtung mit einer Dicke von 300 &mgr;m unter Verwendung der MCrAlX-Legierungen (A, C) durch das Atmosphären-Plasmaspritzverfahren hergestellt.
  • b. Es wurden Produkte bereitgestellt, die erhalten wurden, indem die Spritzschicht des obigen Punkts der Al-Diffusionsbehandlung unter den gleichen Bedingungen unterworfen wurde, wie bei dem annehmbaren erfindungsgemäßen Beispiel.
B. Hochtemperaturkorrosionstestverfahren:

Das in Tabelle 4 dargestellte Hochtemperaturkorrosionstestverfahren erfolgte unter folgenden Bedingungen.

  • (1) Vanadiumkorrosionstest: Zusammensetzung der chemischen Substanzen: 80% V2O5 – 20% NaCl

    Temperatur – Dauer: 900°C × 3 Std.
  • (2) Test der Hochtemperatursulfurierungskorrosion: Zusammensetzung der chemischen Substanzen: 90% Na2SO4 – 10% NaCl

    Temperatur – Dauer: 1000°C × 4 Std.

Die Menge der angewendeten Substanzen betrug zudem in beiden Tests 25 mg pro 1 cm2 der Spritzschicht (25 mg/cm2). Das Teststück wurde in einem elektrischen Ofen bei gegebener Temperatur und für die gegebene Dauer gehalten und daraus entnommen. Anschließend wurde der Schnitt der Beschichtung, der dem korrodierten Abschnitt entsprach, mit einem Mikroskop betrachtet. Die Tiefe der eingedrungenen Korrosionskomponente wurde mit einem Röntgenmikroanalysator untersucht, so dass die Beständigkeit gegenüber Hochtemperaturkorrosion in der Beschichtung untersucht werden konnte.

C. Ergebnisse:

In Tabelle 3 sind die Ergebnisse des obigen Tests für die Hochtemperaturkorrosion gezeigt. In dem Schnitt der Atmosphären-Plasmaspritzschicht der Vergleichsbeispiele (Nr. 9, 10) drangen Korrosionskomponenten (V und S bei der Vanadiumkorrosion, S und Cl bei der Hochtemperatursulfurierungskorrosion) sehr tief in das Innere der Beschichtung ein (75-135 &mgr;m). Dagegen stoppte das Eindringen der Korrosionskomponenten in einem Bereich von 23-57 &mgr;m bei den erfindungsgemäßen Verbundspritzschichten (Nr. 4 und 7), und die Beständigkeit gegenüber Hochtemperaturkorrosion war ausgezeichnet.

Dagegen wurde bei der Beschichtung des Vergleichsbeispiels (Nr. 9) beobachtet, dass die Eindringtiefe das 2-3-fache derjenigen der erfindungsgemäßen Verbundspritzschichten (Nr. 4 und 7) betrug, obwohl es einer Al-Diffusionsbehandlung unterworfen wurde. Daraus wird geschlossen, dass die Wirkung bei der Beschichtung kleiner ist, bei der die Oberflächen der Spritzpartikel mit einem dünnen Oxidfilm bedeckt sind und Lücken zwischen den Partikeln zugegen sind, wie bei der Atmosphären-Plasmaspritzschicht. In dieser Hinsicht wird angenommen, dass bei der erfindungsgemäßen Verbundspritzschicht zwar das Oxidpulver enthalten ist, aber sein Gehalt klein ist, so dass die MCrAlX-Legierungspartikel, die eine große chemische Aktivität besitzen, dicht zugegen sind und bei der Al-Diffusionsbehandlung metallurgisch mit Al reagieren, so dass eine dichtere Beschichtung mit ausgezeichneter Korrosionsbeständigkeit gebildet wird.

Bemerkungen (1) Dicke der Grundierung in den Teststücken Nr. 1-8 beträgt 300 &mgr;m.

(2) Dicke der Abschlussschicht in den Teststücken Nr. 2, 4, 5, 7 beträgt 300 &mgr;m. (Keine Abschlussschicht in den Teststücken Nr. 1, 3, 6, 8)

(3) Zur Grundierung gegebene Menge Oxidpulver beträgt 1,0 Gew.-%.

(4) Beschichtungen der Teststücke Nr. 9 und 10 werden in einer Dicke von 300 &mgr;m durch ein Atmosphären-Plasmaspritzverfahren hergestellt.

INDUSTRIELLE ANWENDBARKEIT

Aus den obigen Erläuterungen und den Ergebnissen der Beispiele ist ersichtlich, dass die erfindungsgemäße Verbundspritzschicht aus MCrAlX-Legierung, die aus der Oxidspritzschicht und der Nicht-Oxid-Spritzschicht mit Al-Diffusion besteht, sogar bei höherer Umgebungstemperatur eine dünnere Schicht der Diffusion in das Innere des Bauteils aufweist, das ausgesetzt werden soll, so dass sie eine gute Beständigkeit gegenüber Temperaturschock besitzt und eine ausgezeichnete Leistung bei der Beständigkeit gegenüber Hochtemperaturoxidation entwickelt. Dadurch kann das mit einer erfindungsgemäßen MCrAlX-Legierung gespritzte Bauteil mit guter Produktivität und bei niedrigen Kosten unter Verwendung der gleichen Art des Spritzverfahrens und der gleichen Art des Metalls auf dem Gebiet der Gasturbinen hergestellt werden, wobei der Anstieg der Temperatur in der Zukunft vorweggenommen wird. Somit wird zur Kostenverringerung bei der Stromerzeugung beigetragen.

Zudem eignet sich die Erfindung als Hochtemperaturbauteil für die Verwendung in einem Blashochofen, einem Wärmebehandlungsofen oder dergleichen oder als hitzebeständiges Bauteil für die Verwendung in einer Rakete, einem Space Shuttle oder dergleichen.


Anspruch[de]
  1. Spritzbeschichtetes Bauteil zur Verwendung in einer Hochtemperaturumgebung, umfassend eine Verbundspritzbeschichtung, welche umfasst:

    eine oxidhaltige Grundierungsspritzschicht, die erhalten wird durch Spritzen eines Spritzmaterials aus einer MCrAlX-Legierung (wobei M ein oder mehr der Elemente Ni, Co und Fe ist und X ein oder mehr der Elemente Y, Hf, Ta, Cs, Pt, Ce, Zr, La, Si und Th ist), das ein oder mehr Oxide enthält, die aus CoO, NiO, Cr2O3, Al2O3, Y2O3, MgO, SiO2, ZrO2 und TiO2 ausgewählt sind, auf eine Oberfläche eines hitzebeständigen Legierungssubstrates unter einer Niederdruckatmosphäre, die im Wesentlichen keinen Sauerstoff enthält,

    eine Nicht-Oxid-Abschlussspritzschicht, die erhalten wird durch Spritzen eines Spritzmaterials aus einer MCrAlX-Legierung (wobei M ein oder mehr der Elemente Ni, Co und Fe ist und X ein oder mehr der Elemente Y, Hf, Ta, Cs, Pt, Ce, Zr, La, Si und Th ist) auf die Grundierung unter einer Niederdruckatmosphäre, die im Wesentlichen keinen Sauerstoff enthält,

    dadurch gekennzeichnet, dass eine Al-Diffusionsschicht auf der oxidhaltigen Grundierungsschicht hergestellt wird und auf der Oberfläche der Abschlussspritzschicht eine hitzeabschirmende Schicht hergestellt wird, die aus einer Oxidkeramik besteht.
  2. Spritzbeschichtetes Bauteil nach Anspruch 1, wobei die Gesamtmenge Oxidpulver, die in der Grundierungsspritzschicht enthalten ist, im Bereich von 0,2-20 Gew.-% liegt;
  3. Spritzbeschichtetes Bauteil nach Anspruch 1, wobei die Abschlussspritzschicht zudem eine Al-Diffusionsschicht auf ihrer Oberfläche aufweist.
  4. Spritzbeschichtetes Bauteil nach Anspruch 1, wobei die Grundierungsspritzschicht eine Dicke im Bereich von 10-500 &mgr;m besitzt.
  5. Spritzbeschichtetes Bauteil nach Anspruch 1, wobei die Abschlussspritzschicht eine Dicke im Bereich von 100-800 &mgr;m besitzt.
  6. Verfahren zur Herstellung eines spritzbeschichteten Bauteils zur Verwendung in einer Hochtemperaturumgebung, wobei

    (1) eine oxidhaltige Grundierungsspritzschicht hergestellt wird durch Spritzen eines MCrAlX-Legierungsmaterials (wobei M ein oder mehr der Elemente Ni, Co und Fe ist und X ein oder mehr der Elemente Y, Hf, Ta, Cs, Pt, Ce, Zr, La, Si und Th ist), das und ein oder mehr Oxide enthält, die aus CoO, NiO, Cr2O3, Al2O3, Y2O3, MgO, SiO2, ZrO2 und TiO2 ausgewählt sind, auf eine Oberfläche eines hitzebeständigen Legierungssubstrats unter einer Niederdruckatmosphäre, die im Wesentlichen keinen Sauerstoff enthält;

    (2) eine Nicht-Oxid-Abschlussspritzschicht darauf hergestellt wird durch Spritzen eines MCrAlX-Legierungsmaterials (wobei M ein oder mehr der Elemente Ni, Co und Fe ist und X ein oder mehr der Elemente Y, Hf, Ta, Cs, Pt, Ce, Zr, La, Si und Th ist) auf die Grundierung unter Niederdruck, der im Wesentlichen keinen Sauerstoff enthält, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren zudem die folgenden Schritte umfasst:

    (3) nach der Herstellung der Grundierungs- und der Abschlussschicht wird zudem eine Al-Diffusionsbehandlung auf der oxidhaltigen Grundierungsschicht durchgeführt, so dass die Al-Konzentration in jedem Oberflächenabschnitt erhöht wird; und

    (4) eine hitzeabschirmende Schicht hergestellt wird durch Spritzen einer Oxidkeramik nach Herstellung der Abschlussschicht bei der Herstellung der Verbundspritzschicht durch Spritzen.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Al-Diffusionsbehandlung von Schritt (3) zudem auf der Abschlussspritzschicht durchgeführt wird, so dass auf ihrer Oberfläche eine Al-Diffusionsschicht erhalten wird.
Es folgen 2 Blatt Zeichnungen






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