NO783486L

NO783486L - OXIDATION RESISTANT AND DURABLE COATED ITEM

Info

Publication number: NO783486L
Application number: NO783486A
Authority: NO
Inventors: Charles Carter Mccomas; James William Morris; Larry Steven Sokol
Original assignee: United Technologies Corp
Priority date: 1977-10-17
Filing date: 1978-10-16
Publication date: 1979-04-18
Also published as: AU519037B2; IT1099949B; DE2842848C2; BR7806560A; IT7828827A0; GB2006274A; SE7810608L; ZA785802B; NL7809972A; DE2842848A1; JPS574705B2; IL55731A0; FR2406000A1; JPS5465718A; GB2006274B; BE871294A; AU4074378A; IL55731A

Description

Gjenstand belagt med oksydasjons-Item coated with oxidation

bestandig og slitesterkt belegg.permanent and durable coating.

Den foreliggende oppfinnelse vedrører et beskyttende belegg og gjenstander belagt med dette, nærmere bestemt belegg som er oksydasjonsbestandige og slitesterke ved høye temperaturer og beregnet for anvendelse på gjenstander av superlegeringer. The present invention relates to a protective coating and objects coated with it, more specifically coatings which are oxidation-resistant and wear-resistant at high temperatures and intended for use on objects made of superalloys.

I moderne gassturbinmotorer må visse motorkomponenter, f.eks. turbinskovler av superlegeringer, være oksydasjonsbestandige og slitesterke ved høye temperaturer. Disse egenskaper er særlig viktige når det gjelder området om Z-sporet i en skovlspissvange, som står i friksjonskontakt med tilstøtende skovlers Z-spor og utsettes for alvorlig slitasje og oksydasjon. Tidligere er Z-sporet blitt beskyttet ved hjelp av forskjellige materialer, bl.a. puddelsveiset hardmetallsmateriale, av hvilke et typisk eksempel er en koboltlegering med den nominelle sammensetning (i vektsprosent): 28% Cr, 5% Ni, 19,5% W, 1% V og resten kobolt. Dette hardmetallsbelegg gir ikke nok beskyttelse av skovlspissvangens Z-sporsområde under maskinens drift, men slike belegg er kostbare å anbringe ved puddelsveising, og i en del til-feller har deres levetid vært utilfredsstillende. Andre, mer økonomiske fremgangsmåter for anbringelse av hardsveisete belegg, f.eks. plasmasprøyting, har vist seg utilfredsstillende på grunn av at belegget har vist seg å ha dårlig adhesjon i bruk. Et annet materiale som er blitt anvendt som høytemperaturbeskyttelses-belegg er et sammensatt sjikt som består av kromkarbidpartikler som er innleiret i en bindemasse av nikkel og krom (80% Ni og 20% Cr). I et typisk tilfelle kan kromkarbidpartiklene utgjøre minst 70 volumprosent. Disse slitebelegg kan riktignok lettvint anbringes i skovlspissvangens Z-spor ved plasmasprøyting, men slike beleggs mikrostruktur, hardhet og adhesjon lar mye tilbake å ønske. Dessuten er disse beleggs oksydasjonsbestandighet ikke tilfredsstillende. In modern gas turbine engines, certain engine components, e.g. turbine blades of superalloys, be oxidation-resistant and wear-resistant at high temperatures. These properties are particularly important when it comes to the area around the Z-groove in a vane tip arm, which is in frictional contact with the Z-groove of adjacent vanes and is exposed to severe wear and oxidation. In the past, the Z-track has been protected using different materials, e.g. poodle-welded hard metal material, of which a typical example is a cobalt alloy with the nominal composition (in weight percent): 28% Cr, 5% Ni, 19.5% W, 1% V and the rest cobalt. This hard metal coating does not provide enough protection for the Z-groove area of the vane tip shank during the machine's operation, but such coatings are expensive to apply when poodle welding, and in some cases their service life has been unsatisfactory. Other, more economical methods of applying hard-welded coatings, e.g. plasma spraying, has proved unsatisfactory due to the fact that the coating has been shown to have poor adhesion in use. Another material that has been used as a high-temperature protective coating is a composite layer consisting of chromium carbide particles embedded in a binder of nickel and chromium (80% Ni and 20% Cr). In a typical case, the chromium carbide particles can make up at least 70 percent by volume. It is true that these wear coatings can easily be placed in the Z-groove of the blade tip by plasma spraying, but the microstructure, hardness and adhesion of such coatings leave much to be desired. Moreover, the oxidation resistance of these coatings is not satisfactory.

Det er et kjent faktum at den kategori belegg som generelt betegnes MCrAlY-belegg, hvor M er nikkel, kobolt, jern eller blandinger av disse, kan frembringe oksydasjons- og korrosjonsbestandighet i en maskins høytemperaturområder, se f.eks. US-patentskrifter 3.676.085, 3.754.903, 3.928.026 samt 3.542.530. Hittil er imidlertid disse MCrAlY-beleggslegeringer blitt anvendt på de av superlegeringer bestående skovlers blad- og fotpartier hvor slitasjeforholdet ikke på langt nær er så alvor-lige som de som skovlspissvangenes Z-spor utsettes for. It is a known fact that the category of coatings generally referred to as MCrAlY coatings, where M is nickel, cobalt, iron or mixtures thereof, can produce oxidation and corrosion resistance in a machine's high temperature areas, see e.g. US Patents 3,676,085, 3,754,903, 3,928,026 and 3,542,530. Until now, however, these MCrAlY coating alloys have been used on the blade and foot parts of blades consisting of superalloys, where the wear conditions are nowhere near as severe as those to which the Z-grooves of the blade tip vanes are exposed.

Ifølge oppfinnelsen er det frembrakt en gjenstand som er belagt med et beskyttende belegg og som kjennetegnes ved særlig god oksydasjonsbestandighet i kombinasjon med meget god slitestyrke ved høye temperaturer, f.eks. opptil 98 2°C. Belegget kjennetegnes ved meget god adhesjon til gjenstanden ved disse høye temperaturer. According to the invention, an object has been produced which is coated with a protective coating and which is characterized by particularly good oxidation resistance in combination with very good wear resistance at high temperatures, e.g. up to 98 2°C. The coating is characterized by very good adhesion to the object at these high temperatures.

Gjenstanden ifølge oppfinnelsen består således av et under-lag av en superlegering belagt med et beskyttende, sammensatt belegg som består av en legert grunnmasse av MCrAlY-type med innleirete, dispergerte kromkarbidpartikler. Den mengde kromkarbidpartikler som er dispergert i MCrAlY-grunnmassen kan f.eks. være mellom 5 og 85 vektsprosent, avhengig av anvendelsesmiljøets type og skadelighet. Belegget ha: fortrinnsvis en densitet på minst 95% av den teoretiske for å oppnå optimale egenskaper. The object according to the invention thus consists of a substrate of a superalloy coated with a protective, composite coating consisting of an alloyed base mass of the MCrAlY type with embedded, dispersed chromium carbide particles. The amount of chromium carbide particles that are dispersed in the MCrAlY base material can e.g. be between 5 and 85 percent by weight, depending on the type and harmfulness of the application environment. The coating has: preferably a density of at least 95% of the theoretical to achieve optimal properties.

Det sammensatte belegg kan anbringes på underlaget med maksimal densitet ved utøvelse av avansert plasmasprøyteteknikk. The composite coating can be placed on the substrate with maximum density using advanced plasma spraying techniques.

Oppfinnelsen vil bli nærmere forklart i det etterfølgende ved beskrivelse av den foretrukne utførelsesform og under hen-visning til de medfølgende tegninger, hvori: Fig. 1 og 2 viser tverrsnitt gjennom et sammensatt belegg ifølge oppfinnelsen i henholdsvis 250 og 500 gangers forstørrelse etter elektrolytisk etsing med en 5 prosentig kromsyreløsning. The invention will be explained in more detail below by describing the preferred embodiment and with reference to the accompanying drawings, in which: Figs. 1 and 2 show cross-sections through a composite coating according to the invention in 250 and 500 times magnification, respectively, after electrolytic etching with a 5 percent chromic acid solution.

Superlegeringer er generelt nikkel-, kobolt- og jern-legeringer som har stor fasthet ved høye temperaturer. Det finnes et antall superlegeringer som anvendes i gassturbinmotorer. Av disse stilles de største fysikalske krav vanligvis til de legeringer som anvendes i motorenes blad og skovler idet bladene og skovlene utsettes for den største påkjenning ved de høyeste temperaturer. Med hensyn til bladene gjelder det at den alvorligste oksydasjons- og slitasjebelastning i drift utsettes Z-sporsområdet av skovlspissvangen for, idet disse områder står Superalloys are generally nickel, cobalt and iron alloys that have high strength at high temperatures. There are a number of superalloys used in gas turbine engines. Of these, the greatest physical demands are usually placed on the alloys used in the engines' blades and vanes, as the blades and vanes are subjected to the greatest stress at the highest temperatures. With regard to the blades, it applies that the most serious oxidation and wear load in operation is exposed to the Z-groove area of the blade tip arm, as these areas are

i friksjonskontakt med hverandre under motorens drift. in frictional contact with each other during engine operation.

Representative for nikkelsuperlegeringer ved anvendelse i gassturbinblader er følgende: a) IN-100 med den nominelle sammensetning 10% krom, 15% kobolt, 4,5% titan, 5,5% aluminium, 3% molybden, 0,17% karbon, Representative of nickel superalloys for use in gas turbine blades are the following: a) IN-100 with the nominal composition 10% chromium, 15% cobalt, 4.5% titanium, 5.5% aluminum, 3% molybdenum, 0.17% carbon,

1% vanadium, 0,06% bor, 0,05% zirkon og resten nikkel.1% vanadium, 0.06% boron, 0.05% zircon and the rest nickel.

b) MAR-M200 med en sammensetning av 9% krom, 10% kobolt,b) MAR-M200 with a composition of 9% chromium, 10% cobalt,

2% titan, 5% aluminium, 2,5% wolfram, 0,15% karbon, 1% niob, 2% titanium, 5% aluminum, 2.5% tungsten, 0.15% carbon, 1% niobium,

0,015% bor, 0,05% zirkon og resten nikkel.0.015% boron, 0.05% zircon and the rest nickel.

c) INCONEL 792 med en nominell sammensetning av 13% krom, 10% kobolt, 4,5% titan, 3% aluminium, 2% molybden, 4% tantal, c) INCONEL 792 with a nominal composition of 13% chromium, 10% cobalt, 4.5% titanium, 3% aluminum, 2% molybdenum, 4% tantalum,

4% wolfram, 0,2% karbon, 0,02% bor, 0,1% zirkon og resten nikkel. 4% tungsten, 0.2% carbon, 0.02% boron, 0.1% zircon and the rest nickel.

Blant representative koboltlegeringer som anvendes i gassturbinmotorer omfatter følgende: a) WI-52, som inneholder 21% krom, 11% wolfram, 2% niob pluss Tantal, 1,75% jern, 0,45% karbon og resten kobolt. b) MAR-M509, som har en nominell sammensetning av 21% krom, 10% niob, 7% wolfram, 3,5% tantal, 0,2% titan, 0,6% karbon, 0,5% Representative cobalt alloys used in gas turbine engines include the following: a) WI-52, which contains 21% chromium, 11% tungsten, 2% niobium plus tantalum, 1.75% iron, 0.45% carbon and the balance cobalt. b) MAR-M509, which has a nominal composition of 21% chromium, 10% niobium, 7% tungsten, 3.5% tantalum, 0.2% titanium, 0.6% carbon, 0.5%

zirkon og resten kobolt.zircon and the rest cobalt.

Fig. 1 og 2 viser et belegg ifølge oppfinnelsen hvor legeringsgrunnmassen, regnet i vektsprosent, inneholder 63% Co, 23% Cr, 13% Al og 0,65% Y, og kromkarbidpartiklene (Cr3C2) inngår i en mengde på ca. 20 vektsprosent. Superlegeringsunderlaget som belegget anbringes på, består vanligvis av Inconel 718 med en nominell sammensetning (vektsprosent) 18,5% Cr, 18,0% Fe, 0,9% Ti, 0,6% Al, 3,0% Mo, 5% Nb + Ta og resten hovedsakelig Ni. Fig. 1 and 2 show a coating according to the invention where the alloy base mass, calculated in weight percentage, contains 63% Co, 23% Cr, 13% Al and 0.65% Y, and the chromium carbide particles (Cr3C2) are included in an amount of approx. 20 percent by weight. The superalloy substrate on which the coating is applied typically consists of Inconel 718 with a nominal composition (percentage by weight) of 18.5% Cr, 18.0% Fe, 0.9% Ti, 0.6% Al, 3.0% Mo, 5% Nb + Ta and the rest mainly Ni.

Som det fremgår av figurene er kromkarbidpartiklene mer eller mindre tilfeldig dispergert i hele grunnmassen og har meget liten størrelse, nemlig en gjennomsnittsdiameter på ca. 15 um. For opti-mal oksydasjonsbestandighet og slitestyrke samt adhesjon av belegget til underlaget bør beleggets densitet være høy, f.eks. minst 95% av den teoretiske. For å sikre en så høy densitet hos belegget samt tilfeldig dispergering av kromkarbidpartiklene, As can be seen from the figures, the chromium carbide particles are more or less randomly dispersed throughout the base mass and have a very small size, namely an average diameter of approx. 15 um. For optimal oxidation resistance and wear resistance as well as adhesion of the coating to the substrate, the density of the coating should be high, e.g. at least 95% of the theoretical. To ensure such a high density of the coating as well as random dispersion of the chromium carbide particles,

er det hensiktsmessig å anbringe belegg på underlaget ved avansert plasmasprøyting under anvendelse av den fremgangsmåte og det apparat som er kjent fra US-patentsøknad 8 08.22 6. Ifølge denne avanserte fremgangsmåte innsprøytes kromkarbidpulveret og CoCrAlY-pulveret i en avkjølt plasmagass og sprøytes deretter på vedkommende beleggsunderlag. Pulver av vanlig handelskvalitet har vist seg å være tilfredsstillende. Etter plasmasprøyting ifølge denne fremgangsmåte ble den belagte gjenstand varmebehand- is it appropriate to apply a coating to the substrate by advanced plasma spraying using the method and apparatus known from US patent application 8 08.22 6. According to this advanced method, the chromium carbide powder and the CoCrAlY powder are injected into a cooled plasma gas and then sprayed onto the relevant coating substrate . Powders of ordinary commercial quality have been found to be satisfactory. After plasma spraying according to this method, the coated object was heat treated

let ifølge figurene ved 1079°C i fire timer for å frembringe en diffusjonsbinding mellom belegget og underlaget. light according to the figures at 1079°C for four hours to produce a diffusion bond between the coating and the substrate.

Det innses uten videre av fagfolk på området at det prosent-vise innhold av dispergerte kromkarbidpartikler i grunnmassen av CoCrAlY kan variere for tilpasning til det aktuelle anvendelses-miljø. Således kan mengden kromkarbidpartikler varieres fra ca. 5 vektsprosent til ca. 85 vektsprosent. For anvendelse ved lavere temperaturer, f.eks. opptil 760°C, og/eller forhold med sterk slitasje, bør prosentinnholdet dispergerte partikler fortrinnsvis ligge i den øvre del av dette område, fortrinnsvis fra ca. 50 til ca. 85 vektsprosent. Ved høyere temperaturer, opptil 927°C, It is readily recognized by experts in the field that the percentage content of dispersed chromium carbide particles in the base mass of CoCrAlY can vary for adaptation to the relevant application environment. Thus, the amount of chromium carbide particles can be varied from approx. 5 percent by weight to approx. 85 percent by weight. For use at lower temperatures, e.g. up to 760°C, and/or conditions with strong wear, the percentage of dispersed particles should preferably lie in the upper part of this range, preferably from approx. 50 to approx. 85 percent by weight. At higher temperatures, up to 927°C,

■ og forhold med mindre sterk slitasje kan kromkarbidinnholdet være så lavt som ned til 5 vektsprosent. Imidlertid foretrekkes som regel mellom ca. 10 og 30 vektsprosent under disse sist-nevnte forhold, f.eks. på Z-sporet i gassturbinblader. Ved å variere mengden dispergert karbid, kan middelhardheten til belegget ifølge oppfinnelsen varieres fra ca. 600 DPH til over 1000 DPH. Denne hardhet i kombinasjon med den ypperlige oksydasjons- og korrosjonsbestandighet hos den av CoCrAlY-legeringen bestående grunnmasse gir et allsidig belegg som har en enestå-ende kombinasjon av egenskaper og som er anvendbart under mange forskjellige skadelige driftsforhold, hvorved blant disse egenskaper merkes en meget bedre adhesjon, oksydasjonsbestandighet og slitestyrke ved høye temperaturer enn de tidligere kjente hardsveislegeringer og sammensatte belegg med kromkarbidpartikler dispergert i en grunnmasse av NiCr-type. Dessuten kan belegget ifølge oppfinnelsen på billig måte anbringes på underlaget ved den ovenfor angitte plasmasprøytemetode eller andre liknende metoder og med beleggtykkelser av størrelsesorden fra 127 til 762 um. ■ and conditions with less severe wear, the chromium carbide content can be as low as 5% by weight. However, as a rule, between approx. 10 and 30 percent by weight under these last-mentioned conditions, e.g. on the Z groove in gas turbine blades. By varying the amount of dispersed carbide, the average hardness of the coating according to the invention can be varied from approx. 600 DPH to over 1000 DPH. This hardness in combination with the excellent oxidation and corrosion resistance of the base material consisting of the CoCrAlY alloy provides a versatile coating which has a unique combination of properties and which is applicable under many different harmful operating conditions, whereby among these properties a much better adhesion, oxidation resistance and wear resistance at high temperatures than the previously known hard welding alloys and composite coatings with chromium carbide particles dispersed in a NiCr-type base mass. Moreover, the coating according to the invention can be inexpensively applied to the substrate by the above-mentioned plasma spraying method or other similar methods and with coating thicknesses of the order of magnitude from 127 to 762 µm.

Tredjetrinns gassturbinblader med spissvangen utstyrt med et 203-254 um tykt, sammensatt sjikt av belegget ifølge oppfinnelsen, er blitt prøvet i en eksperimentell gassturbinmotor hvor de belagte Z-sporsområder ved bladvangespissene stod i friksjonskontakt med hverandre. Vangene ble utsatt for en tem-peratur på 927°C. Etter mer enn 500 timer av motorens drift hadde bladenes vangespisser ingen antydning til svekkelse eller annen defekt. Det sammensatte belegg var anbrakt på bladvangespissene ifølge den ovenfor angitte avanserte plasmasprøytemetode og hadde en densitet som utgjorde minst 95% av den teoretisk mulige. Third-stage gas turbine blades with the tip vane equipped with a 203-254 µm thick, composite layer of the coating according to the invention have been tested in an experimental gas turbine engine where the coated Z-groove areas at the blade vane tips were in frictional contact with each other. The vanes were exposed to a temperature of 927°C. After more than 500 hours of engine operation, the vane tips of the blades showed no sign of weakening or other defect. The composite coating was applied to the leaf blade tips according to the advanced plasma spraying method indicated above and had a density that was at least 95% of the theoretically possible.

Oppfinnelsen er her beskrevet utførlig i forbindelse med en spesiell CoCrAlY-legeringssammensetning, men fagfolk på området innser uten videre at denne sammensetning her bare er angitt for å belyse oppfinnelsen med et eksempel. Generelt gjelder at beleggets legeringsgrunnmasse kan bestå av en legering av MCrAlY-type som omfatter beleggslegeringer som inneholder en betydelig mengde krom, f.eks. minst 10 vektsprosent, en betydelig mengde aluminium, f.eks. minst 6 vektsprosent, samt yttrium, andre skjeldne jordmetaller eller oksygenaktive stoffer, f.eks. hafnium og silisium, idet beleggslegeringens grunnmetall er nikkel, kobolt, jern eller en blanding av disse. Fortrinnsvis kan beleggslegeringen av MCrAlY-type hovedsakelig bestå av, i vektsprosent, 10-40% Cr, 8-30% Al, 0,01-5% Y og resten nikkel, kobolt eller jern. En foretrukket beleggslegeringsgrunnmasse for turbinbladspissvanger er et CoCrAlY-materiale som hovedsakelig består av, vektsprosent, 15-40% Cr, 10-25% Al, 0,0-5% The invention is described here in detail in connection with a particular CoCrAlY alloy composition, but those skilled in the art will readily realize that this composition is only given here to illustrate the invention by way of example. In general, the coating's alloy base mass can consist of an alloy of the MCrAlY type that includes coating alloys that contain a significant amount of chromium, e.g. at least 10% by weight, a significant amount of aluminium, e.g. at least 6% by weight, as well as yttrium, other rare earth metals or oxygen-active substances, e.g. hafnium and silicon, the base metal of the coating alloy being nickel, cobalt, iron or a mixture of these. Preferably, the MCrAlY-type coating alloy may consist mainly of, by weight, 10-40% Cr, 8-30% Al, 0.01-5% Y and the remainder nickel, cobalt or iron. A preferred coating alloy masterbatch for turbine blade tip spars is a CoCrAlY material consisting essentially of, by weight, 15-40% Cr, 10-25% Al, 0.0-5%

Y og resten hovedsakelig Co. Dessuten kan størrelsen på de i beleggslegeringens grunnmasse dispergerte kromkarbidpartikler variere etter ønske og har fortrinnsvis en gjennomsnittsdiameter på mellom 5 og 4 0 um. Dersom det er ønskelig kan karbid-partiklene dispergeres på ikke tilfeldig måte i grunnmassen. Fagfolk på området innser også at andre variasjoner og modifika-sjoner av oppfinnelsen kan utføres innenfor rammen av oppfinnelsen. Y and the rest mainly Co. Moreover, the size of the chrome carbide particles dispersed in the coating alloy base mass can vary as desired and preferably have an average diameter of between 5 and 40 µm. If desired, the carbide particles can be dispersed in a non-random manner in the base mass. Those skilled in the art also realize that other variations and modifications of the invention can be made within the scope of the invention.

Claims

1. Article coated with a coating with very good oxidation resistance in combination with very good wear resistance at high temperatures, characterized in that it comprises a base material of a superalloy equipped with a composite coating containing an alloy base mass of the MCrAlY type, where M is nickel, cobalt or iron, as well as chromium carbide particles that are dispersed in the base mass.

2. Item in accordance with claim 1, characterized in that the MCrAlY-type base alloy of the coating alloy has a composition which mainly consists of, in percentage by weight, 10-4 0% Cr, 8-30% Al, 0.01-5% Y and the rest nickel, cobalt or iron.

3. Item in accordance with claim 1, characterized in that the composite coating has a density that is at least 95% of the theoretically possible, for optimization of its protective ability.

4. Object in accordance with claim 1, grade i.i - certified in that the base superalloy contains nickel, cobalt or iron as base metal.

5. Object in accordance with claim 1, characterized in that the chromium carbide particles are dispersed in a random manner within the alloy base mass.

6. Item in accordance with claim 1, characterized in that the chromium particles comprise between approx. 5 and approx.

85% of the coating's weight.

7. Superalloy gas turbine blade, equipped on its tip vane with a Z-shaped groove that is in frictional contact with the Z groove on the adjacent blade, characterized in that a composite coating is applied to the blade tip vane's Z groove to produce better oxidation resistance and wear resistance , where the coating contains an MCrAlY-type alloy matrix in which chromium carbide particles are dispersed.

8. Blade in accordance with claim -7, characterized in that the alloy base mass consists (in percentage by weight) of 10-40% Cr, 8-30% Al, 0.01-5% Y and the rest nickel, cobalt or iron.

9. Blade in accordance with claim 7, characterized in that the alloy base mass consists, in weight percentage, of 5-40% Cr, 10-25% Al, 0.01-5% Y and the rest Co.

10. Blade in accordance with claim 7, characterized in that the chromium carbide particles are included in an amount of between approx.

10 and 30 percent by weight.