DE3110358C2 - Pulverförmiges Überzugsmittel und Verfahren zum Aufbringen von Oberflächenüberzügen - Google Patents
Pulverförmiges Überzugsmittel und Verfahren zum Aufbringen von OberflächenüberzügenInfo
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Abstract
Gegenstand der Erfindung ist eine pulverförmige Zusammensetzung zur Herstellung von Oberflächenüberzügen an stark Wärme beanspruchten Teilen, beispielsweise Bauteilen von bei hohen Temperaturen betriebenen Gastriebwerken. Das Überzugspulver ist ein Gemisch, das 20 bis 40 Volumprozent Teilchen aus einer Aluminium und Chrom enthaltenden Nickel- oder Kobaltlegierung und im übrigen hohle Glasteilchen mit einem Überzug aus einer Chrom und Aluminium enthaltenden Nickel- oder Kobaltbasislegierung enthält. Das Überzugspulver eignet sich bevorzugt zur Aufbringung im Flammsprühverfahren, und zwar sowohl mittels Verbrennungsflammsprühen oder Plasmasprühen. Alternativ kann das Überzugspulver auch in Form einer Suspension bzw. Aufschlämmung in einem flüssigen Bindemittel aufgebracht werden, das mittels nachfolgender Wärmebehandlung abgedampft oder abgebrannt werden kann. Die erfindungsgemäß hergestellten Oberflächenüberzüge besitzen eine zur Verwendung als Wärmeschranke ausreichend niedrige Wärmeleitfähigkeit und gleichzeitig eine hohe Beständigkeit gegenüber Oxydation und Wärmeschockbeanspruchung. Sie eignet sich daher bevorzugt zur Anwendung als Wärmeschutz-Oberflächenüberzüge an Teilen, die einer hohen Oxydations- oder Wärmeschockbeanspruchung ausgesetzt sind.
Description
Die Erfindung betrifft allgemein die Aufbringung von
Überzügen und hierfür geeignete Überzugsmittel in Pulverform.
Das Streben nach größerem Wirkungsgrad und größerer Leistung hat zu einer ständigen Erhöhung der
Betriebstemperaturen geführt, bei welchen die Bauteile von Gasturbinentriebwerken funktionieren müssen.
Dies hat seinerseits zur Anwendung immer ausgefallenerer Werkstoffe für die Konstruktion derartige
Bauteile und gegebenenfalls zur Anwendung komplizierter Kühlsysteme geführt.
Zur Vermeidung derartig aufwendiger Maßnahmen wurde vorgeschlagen, derartige Bauteile mit Keramikwerkstoffen
zu überziehen, zur Schaffung einer Wärmebarriere, um zu gewährleisten, daß die Bauteiltemperaturen
innerhalb annehmbarer Grenzen gehalten werden. Derartige Keramiküberzüge können
beispielsweise nach Verfahren wie etwa dem Flammsprühverfahren aufgebrach! werden. Keramikwerkstoffe
sind jedoch sehr spröde und neigen zum Absplittern von den überzogenen Bauteilen bei deren Wärmeausdehnung
und -kontraktion unter Temperaturschwankungen. Dieser Effekt läßt sich durch Reduzierung der
Dicke des Keramiküberzugs verringern, jedoch sind derartige dünnere Überzüge offensichtlich weniger
wirksam als Wärmebarrieren.
In der älteren deutschen Patentanmeldung Nr. P 30 30 341.4 wird ein Überzugsmaterial beschrieben,
das hohle Glasteilchen enthält, die jeweils mit einer Aluminium oder Chrom enthaltenden Legierung auf
Nickel- oder Kobaltbasis überzogen sind. Beim Flammsprühen eines derartigen Überzugs auf eine
geeignete Oberfläche ergibt das Überzugsmaterial eine Wärmebarriere von sehr niedriger Wärmeleitfähigkeit.
Bei Anwendung dieses Überzugs an Oberflächen, welche extremen Oxydations- und Wärmeschockbedingungen
ausgesetzt sind, beispielsweise im Verbrennungsteil eines Gasturbinentriebwerks, neigen diese
Überzüge jedoch zum Absplittern.
Die Erfindung betrifft somit, ausgehend von der vorstehend genannten DE-OS 30 30 341, eine pulverförmige
Zusammensetzung zur Herstellung von Oberflächenüberzügen, insbesondere im Flammsprühverfahren,
welche ein Gemisch aus Metallteilchen und aus mit einem Überzug aus einer Chrom und Aluminium
enthaltenden Nickel- oder Kobaltlegierung versehenen hohlen Glasteilchen aufweist.
Der Erfindung liegt als Aufgabe die Schaffung eines Überzugsmaterials zugrunde, das als Überzug auf einer
Oberfläche eine verhältnismäßig niedrige Wärmeleitfä-
higkeit besitzt und so eine wirksame Wärmebarriere bildet, und trotzdem eine hohe Beständigkeit gegenüber
Oxydations- und Wärmeschockbedingungen aufweist.
Zu diesem Zweck ist gemäß der Erfindung bei einer pulverförmiger! Zusammensetzung der vorstehend
genannten Art vorgesehen, daß die Metallteilchen in einem Anteil von 20 bis 40 Vol.-% des Gemisches
vorliegen und aus einer Aluminium und Chrom enthaltenden Nickel- oder Kobaltlegierung bestehen.
Für die Zwecke der vorliegenden Beschreibung soll die Bezeichnung »Flammsprühen« sowohl Verbrennungs-Flammsprühen
als auch Plasma-Sprühen umfassen.
Das Glas ist vorzugsweise ein Aluminiumsilikatglas.
Vorzugsweise macht das Glas jeweils 5 bis 90 '5
Gewichtsprozent der einzelnen überzogenen Glasteilchen aus.
Die Abmessungen der überzogei.en Glasteilchen liegen vorzugsweise im Bereich von 20 bis 250 μΐη
Durchmesser.
Die Teilchen aus der Nickel- oder Kobaltlegierung haben vorzugsweise Abmessungen im Bereich von 45
bis 150 μίτι Durchmesser.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung eines Oberflächenüberzugs; das Verfahren
sieht die Aufbringung eines Überzugspulvers der vorstehend genannten Art gemäß der Erfindung durch
Flammsprühen auf einer Oberfläche zur Erzeugung eines Überzugs mit einer Tiefe bzw. Dicke im Bereich
von 0,2 bis 7 mm vor.
Der Überzug kann eine Schicht eines Mehrschichtüberzugs bilden, wobei die andere(n) Schicht bzw.
Schichten entweder metallischer oder keramischer Natur sein können.
Nach einem anderen Aspekt der Erfindung kann ein Oberflächenüberzug auch in der Weise hergestellt
werden, daß man eine Schicht aus dem Überzugspulver gemäß der Erfindung auf die Oberfläche aufbringt und
anschließend das Pulver auf eine zur Sinterung des Pulvers ausreichende Temperatur erhitzt.
Das Pulver kann zur leichteren Aufbringung auf die Oberfläche in einem flüssigen Bindemittel suspendiert
sein, wobei das Bindemittel so gewählt ist, daß es bei einer Temperatur bei oder unter der genannten
Sintertemperatur verdampft oder abbrennt.
Zur Untersuchung der Beständigkeit von aus erfindungsgemäßen Überzugspulver bestehenden
Überzügen gegen Oxydation und Wärmeschock wurde eine Reihe von Vergleichstests durchgeführt. Im
einzelnen wurde eine Reihe von Prüflingen hergestellt, die jeweils aus einem 2 mm dicken Blech aus einer
Nickelbasislegierung bestanden; auf dieses Blech war jeweils mittels Flammsprühen ein Verbund- bzw.
Haftüberzug aus einer Nickelbasislegierung der nachstehend angegebenen Zusammensetzung sowie ein
Decküberzug aus dem zu untersuchenden Überzugspulver aufgebracht. Der Verbund- bzw. Haftüberzug besaß
eine Dicke zwischen 0,075 und 0,125 mm, der Decküberzug aus dem zu untersuchenden Überzugspulver eine
Dicke im Bereich zwischen 0,5 und 0,75 mm. Die Nickelbasislegierung für den Verbund- bzw. Haftüberzug
hatte die Zusammensetzung:
| Aluminium | 4,5bis7,5%(Gevv.-%) |
| Mangan | Obis3,O°/o(Gew.-%) |
| Kohlenstoff | 0bis0,3%(Gew.-%) |
| Silizium | 0bis2,0%(Gew.-%) |
| Chrom | 15,5bis21,5%(Gew.-O/o) |
| Eisen | 0bis1,5%(Gew.-%) |
| Nickel | Rest |
Das erfindungsgemäße Überzugspulver bestand aus einem Gemisch von 20 bis 40 Volumprozent Teilchen
aus einer Legierung der folgenden Zusammensetzung:
| Aluminium | 4,5 bis 7,5% (Gew.-°/o) |
| Mangan | 0bis3,0%(Gew.-%) |
| Kohlenstoff | 0bisG,3%(Gew.-%) |
| Silizium | 0bis2,0%(Gew.-%) |
| Chrom | 15.5 bis 21,5% (Gew.-o/o) |
| Eisen | 0bisl,5%(Gew.-%) |
| Nickel | Rest |
Teilchengröße 45 bis 150 μη\;
und im übi igen hohlen Aluminiumsilikat-Glaskugeln, die
jeweils mit einer Legierung aus 80 Gew.-% Nickel, 2,5 Gew.-% Aluminium, 15,7 Gew.-% Chrom und 1,8
Gew.-% Silizium überzogen waren. Das Glas enthielt 31,97% AI2O3, 60,75% SiO2, 4,18% Fe2O3, 1,91% K2O
und 0,81% Na2O, die Angaben jeweils wiederum in Gewichts-Prozent. Die unüberzogenen Kugeln besaßen
einen Durchmesser von etwa 20 bis 200 μΐη und eine
Manteldicke von 2 bis 10 μίτι.
In diesem speziellen Pulver betrug der Glasanteil jeweils 10 Gew.-% der einzelnen überzogenen Teilchen.
Jedoch kann das Glas einen Anteil im Bereich von 5 bis 90 Gew.-% der einzelnen Teilchen ausmachen.
Der Flammsprühauftrag erfolgte mittels üblicher, kommerziell verfügbarer Flammsprühpistolen unter
Verwendung von Azetylen und Sauerstoff als Trägerbzw. Druckgas und über Sprühentfernungen von ca.
15 cm (Flammsprühbedingung A in den nachfolgenden Tabellen) bzw. von ca. 30 cm (Flammsprühbedingung B).
Nachdem der Verbund- bzw. Haftüberzug und der Decküberzug auf die einzelnen Prüflinge aufgebracht
waren, wurden diese entweder einem Oxydationstest oder einem Wärmeschocktest unterworfen. Die Testuntersuchung
bezüglich Wärmeschockfestigkeit bestand darin, daß der Prüfling zwei Stunden lang auf eine
Temperatur von 10500C erhitzt und sodann plötzlich in einen kalten Luftstrom verbracht wurde. Dies stellt
einen Testzyklus dar. Diese Testzyklen wurden so lange wiederholt, bis der Decküberzug durch Abschuppen
bzw. Abblättern von dem Prüfling zerstört wurde. Die Testuntersuchung bezüglich der Oxydationsbeständigkeit
bestand darin, daß man den Prüfling so lange auf eine Temperatur von 1050°C erhitzte, bis sich eine
Oxydation des Decküberzugs durch Abblättern von dem Prüfling bemerkbar machte. Es wurden die
folgenden Resultate erhalten:
| . Wärmeschockfestigkeit | Flamm | Anzahl von |
| Prüfling Nr. Beschreibung des Überzugs | sprüh | Zvklen bis |
| bedin | zur Zerstörung | |
| gungen | ||
Verbund- bzw. Haftüberzug der angegebenen Art Decküberzug - Mit Nickellegierung überzogene Glaskugeln
Verbund- bzw. Haftüberzug der anpegebenei; Art
Decküberzug - 66 Volumenprozent mit Nickellegierung überzogene
Glaskugeln, Rest Nickellegierungsteilchen Verbund- bzw. Haftüberzug der angegebenen Art
Decküberzug - 80 Volumenproz'ent mit Nickellegierung überzogene
Glrskugeln, Rest Nickellegierungsteilchen 1
50+
50+
50+
2. Oxydationsbeständigkeit
| Prüfling Nr. | Beschreibung des Überzugs | Flamm- | Anzahl von |
| sprüh- | Zyklen bis | ||
| bedin- | zur Zerstörung | ||
| gungen |
Verbund- bzw. Haftüberzug der angegebenen Art Decküberzug - Mit Nickellegierung überzogene Glaskugeln
Verbund- bzw. Haftüberzug der angegebenen Art Decküberzug-66 Volumenprozent mit Nickellegierung überzogene
Glaskugeln, Rest Nickellegierungsteilchen Verbund- bzw. Haftüberzug der angegebenen Art
Decküberzug - 80 Volumenprozent mit Nickellegierung überzogene Glaskugeln, Rest Nickellegierungsteilchen
2
100+
100+
100+
In den verschiedenen Tests besaßen die Prüflinge Nr. 1 und Nr. 4 einen Decküberzug nur aus mit
Nickellegierung überzogenen Glaskugeln. Diese Prüflinge dienten somit als Standard zur Beurteilung des
Verhaltens der mit erfindungsgemäßen Überzugspulvern hergestellten Überzüge. Die Untersuchung der
Ergebnisse zeigt, daß in allen Fällen die mit erfindungsgemäßen Überzügen versehenen Prüflinge 50 Wärmeschockzyklen
und 100 Stunden bei 10500C ohne Zerströmung durch Wärmeschock oder Oxydation
überstanden.
Die erfindungsgemäßen Überzugspulver eignen sich nicht nur zum Verbrennungs-Flammsprühen, sondern
könnten auch im Plasmasprühverfahren auf eine Oberfläche aufgesprüht oder in Form einer Suspension
mit einem geeigneten flüssigen Bindemittel auf eine Oberfläche aufgebracht werden. Bei Anwendung des
Pulvers in Form einer Suspension oder Aufschlämmung wären anschließende Wärmungsschritte zum Verdampfen
oder Abbrennen des Bindemittels und zum Sintern der Teilchen erforderlich. Ein geeignetes Bindemittel
wäre ein solches, das bei oder unterhalb der Sintertemperatur verdampft oder abbrennt, bsp. ein
organisches Harz, das rückstandsarm abbrennt, etwa ein Polymethacrylsäureester-Harz.
Nach dem Suspensionsverfahren hergestellter Überzüge bilden wirksame Wärmeschränken, ihr Porositätsgrad macht sie jedoch besonders geeignet zur eo
Herstellung von Schleifdichtungen. So könnten derartige Überzüge auf den radialen Innenflächen des
Kompressors in einem Axialströmungs-Gasturbinentriebwerk aufgebracht werden, wo sie im Betriebszustand
von den Spitzen der rotierenden aerodynamisch
profilierten Kompressorschaufeln überstrichen werden. Die Erfindung wurde vorstehend anhand eines
Gemisches beschrieben, das hohle Aluminiumsilikatglaskugeln enthält, die mit einer Legierung aus Nickel,
Aluminium, Chrom und Silizium überzogen sind. Jedoch können auch anderweitige, Aluminium und Chrom
enthaltende Legierungen auf Nickelbasis sowie Chrom und Aluminium enthaltende Legierungen auf Kobaltbasis
verwendet werden. Des weiteren können anstelle des Aluminiumsilikatglases auch andere Gläser verwendet
werden, und die anderen Gemischteilchen aus einer Nickellegierung könnten aus einer anderen als der oben
speziell angegebenen Legierung bestehen. So könnten diese anderweitigen Gemischteilchen beispielsweise aus
einer Aluminium und Chrom enthaltenden anderweitigen Legierung auf Nickelbasis oder auch aus einer
Aluminium und Chrom enthaltenden Legierung auf Kobaltbasis bestehen.
Die Erfindung wurde vorstehend unter Bezugnahme auf Überzüge mit einer Dicke zwischen 0,5 und 0,75 mm
beschrieben; jedoch können selbstverständlich auch anderweitige Überzugsdicken Anwendung finden, je
nach dem speziellen Anwendungsfall des Überzugs. Es darf angenommen werden, daß erfindungsgemäße
Überzüge mit Dicken im Bereich zwischen 0,2 und 7 mm noch gute Wirksamkeit als Wärmeschranken zeigen.
Des weiteren können die erfindungsgemäßen Überzüge auch in Verbindung mit Überzügen aus anderen
Werkstoffer·. unter Bildung einer »Sandwich«-Struktur
Anwendung finden. So ist üblicherweise die Anwendung eines Verbund- oder Haftüberzugs zwischen der zur
schützenden Oberfläche und dem erfindungsgemäßen Überzug erwünscht. Alternativ oder zusätzlich kann auf
den erfindungsgemäßen Überzug noch ein weiterer beispielsweise metallischer oder keramischer Überzug
aufgebracht werden. Dies kann beispielsweise in besonders korrodierenden oder oxydierenden Umgebungsbedingungen
notwendig sein.
Claims (12)
1. Pulverförmige Zusammensetzung zur Herstellung von Oberflächenüberzügen, insbesondere im
Flainmsprühverfahren, welche ein Gemisch aus Metallteilchen und aus mit einem Überzug aus einer
Chrom und Aluminium enthaltenden Nickel- oder Kobaltlegierung versehenen hohlen Glasteilchen
aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallteilchen in einem Anteil von 20 bis 40
Vol.-% des Gemisches vorliegen und aus einer Aluminium und Chrom enthaltenden Nickel- oder
Kobaltlegierung bestehen.
2. Pulverförmige Zusammensetzung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Glasteilchen
aus einem Aluminiumsilikatglas bestehen.
3. Pulverförmige Zusammensetzung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das
Glas jeweils 5 bis 90 Gewichtsprozent der einzelnen überzogenen Glasteilchen ausmacht.
4. Pulverförmige Zusammensetzung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch · gekennzeichnet, daß die überzogenen Glasteilchen Durchmesserabmessungen im Bereich
von 20 bis 250 |im besitzen.
5. Pulverförmige Zusammensetzung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Metallteilchen aus der Nickel- oder Kobaltlegierung Durchmesserabmessungen
im Bereich von 45 bis 150 μητ besitzen.
6. Pulverförmige Zusammensetzung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Metallteilchen aus einer Legierung der folgenden Zusammensetzung
(in Gewichtsprozent) bestehen: 4,5 bis 7,5% Aluminium, 0 bis 3,0% Mangan, 0 bis 3,0%
Kohlenstoff, 0 bis 2,0% Silizium, 15,5 bis 21,5% Chrom,0 bis 1,5% Eisen, Rest Nickel.
7. Pulverförmige Zusammensetzung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche und
insbesondere nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Legierungsüberzug der Glasteilchen
aus einer Legierung aus 80% Nickel, 2,5% Aluminium, 15,7% Chrom und 1,8% Silizium besteht.
8. Pulverförmige Zusammensetzung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche und
insbesondere nach den Ansprüchen 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Glasteilchen aus einem Glas
der Zusammensetzung (in Gewichtsprozent) 31,97% AI2O3, 60,75% SiO2, 4.18% Fe2O3, 1,91% K2O und
0,81% Na2O bestehen, und daß der Glasanteil jeweils 10 Gewichtsprozent der einzelnen überzogenen
Glasteilchen ausmacht.
9. Verfahren zur Herstellung eines Oberflächenüberzuges unter Verwendung der pulverförmigen
Zusammensetzung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die
pulverförmige Zusammensetzung mittels Flammsprühen auf die Oberfläche zur Bildung eines
Überzuges mit einer Dicke im Bereich von 0,2 bis 7 mm aufgebracht wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Überzug als eine Schicht innerhalb
eines mehrlagigen Überzugs, wobei die anderen Überzugslagen bzw. -schichten metallischer oder
keramischer Natur sind, aufgebracht wird.
11. Verfahren zur Herstellung eines Obcrflächen-
Überzugs unter Verwendung einer pulverförmigen Zusammensetzung nach einem oder mehreren der
Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß auf die zu überziehende Oberfläche eine Schicht der
pulverförmigen Zusammensetzung aufgebracht und diese Pulverschicht sodann auf eine zur Sinterung
der pulverförmigen Zusammensetzung ausreichender Temperatur erhitzt wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch
gekennzeichnet, daß die pulverförmige Zusammensetzung zur leichteren Aufbringung auf die Oberfläche
in einem flüssigen Bindemittel, das bei oder unter der Sintertemperatur verdampft oder abbrennt,
suspendiert wird.
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