DE69116303T2 - Herstellung von Chromiumkarbid-Nickel-Beschichtungen - Google Patents
Herstellung von Chromiumkarbid-Nickel-BeschichtungenInfo
- Publication number
- DE69116303T2 DE69116303T2 DE69116303T DE69116303T DE69116303T2 DE 69116303 T2 DE69116303 T2 DE 69116303T2 DE 69116303 T DE69116303 T DE 69116303T DE 69116303 T DE69116303 T DE 69116303T DE 69116303 T2 DE69116303 T2 DE 69116303T2
- Authority
- DE
- Germany
- Prior art keywords
- coating
- weight percent
- chromium carbide
- turbomachine
- based alloy
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
- 238000000576 coating method Methods 0.000 title claims description 149
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims description 61
- 229910003470 tongbaite Inorganic materials 0.000 title claims description 50
- UFGZSIPAQKLCGR-UHFFFAOYSA-N chromium carbide Chemical compound [Cr]#C[Cr]C#[Cr] UFGZSIPAQKLCGR-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims description 35
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 title claims description 31
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title description 2
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims description 90
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 claims description 33
- 239000000956 alloy Substances 0.000 claims description 33
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 28
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 22
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims description 12
- 239000011651 chromium Substances 0.000 claims description 11
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- 229910052804 chromium Inorganic materials 0.000 claims description 7
- 238000005507 spraying Methods 0.000 claims description 7
- VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N Chromium Chemical compound [Cr] VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 229910000765 intermetallic Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 238000001556 precipitation Methods 0.000 claims description 4
- 229910052750 molybdenum Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229910052758 niobium Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000010955 niobium Substances 0.000 claims description 3
- GUCVJGMIXFAOAE-UHFFFAOYSA-N niobium atom Chemical compound [Nb] GUCVJGMIXFAOAE-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 229910052715 tantalum Inorganic materials 0.000 claims description 3
- GUVRBAGPIYLISA-UHFFFAOYSA-N tantalum atom Chemical compound [Ta] GUVRBAGPIYLISA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N Molybdenum Chemical compound [Mo] ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 239000000470 constituent Substances 0.000 claims description 2
- 239000011733 molybdenum Substances 0.000 claims description 2
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 31
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 30
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 25
- 238000005474 detonation Methods 0.000 description 15
- 229910000816 inconels 718 Inorganic materials 0.000 description 15
- 238000005299 abrasion Methods 0.000 description 12
- 239000000463 material Substances 0.000 description 12
- 230000003628 erosive effect Effects 0.000 description 8
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 7
- 229910018487 Ni—Cr Inorganic materials 0.000 description 6
- PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N aluminium oxide Inorganic materials [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Al+3] PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 6
- 239000007921 spray Substances 0.000 description 6
- DGAQECJNVWCQMB-PUAWFVPOSA-M Ilexoside XXIX Chemical compound C[C@@H]1CC[C@@]2(CC[C@@]3(C(=CC[C@H]4[C@]3(CC[C@@H]5[C@@]4(CC[C@@H](C5(C)C)OS(=O)(=O)[O-])C)C)[C@@H]2[C@]1(C)O)C)C(=O)O[C@H]6[C@@H]([C@H]([C@@H]([C@H](O6)CO)O)O)O.[Na+] DGAQECJNVWCQMB-PUAWFVPOSA-M 0.000 description 5
- VNNRSPGTAMTISX-UHFFFAOYSA-N chromium nickel Chemical compound [Cr].[Ni] VNNRSPGTAMTISX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 229910052708 sodium Inorganic materials 0.000 description 5
- 239000011734 sodium Substances 0.000 description 5
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 5
- 239000010963 304 stainless steel Substances 0.000 description 4
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 229910000589 SAE 304 stainless steel Inorganic materials 0.000 description 4
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 4
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 4
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 4
- 238000007750 plasma spraying Methods 0.000 description 4
- LNSPFAOULBTYBI-UHFFFAOYSA-N [O].C#C Chemical group [O].C#C LNSPFAOULBTYBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000011261 inert gas Substances 0.000 description 3
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 3
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 3
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 3
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 3
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 3
- 238000005303 weighing Methods 0.000 description 3
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N Carbon dioxide Chemical compound O=C=O CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- HSFWRNGVRCDJHI-UHFFFAOYSA-N alpha-acetylene Natural products C#C HSFWRNGVRCDJHI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 2
- 239000008199 coating composition Substances 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 125000002534 ethynyl group Chemical group [H]C#C* 0.000 description 2
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 description 2
- 239000000446 fuel Substances 0.000 description 2
- 239000002737 fuel gas Substances 0.000 description 2
- 238000007747 plating Methods 0.000 description 2
- 238000009718 spray deposition Methods 0.000 description 2
- 238000005382 thermal cycling Methods 0.000 description 2
- 238000007751 thermal spraying Methods 0.000 description 2
- 239000010936 titanium Substances 0.000 description 2
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910000619 316 stainless steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910000531 Co alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910000990 Ni alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000002441 X-ray diffraction Methods 0.000 description 1
- 238000003483 aging Methods 0.000 description 1
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 1
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000000429 assembly Methods 0.000 description 1
- 230000000712 assembly Effects 0.000 description 1
- 238000000889 atomisation Methods 0.000 description 1
- 229910002092 carbon dioxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000001569 carbon dioxide Substances 0.000 description 1
- -1 chromium carbides Chemical class 0.000 description 1
- 239000010941 cobalt Chemical group 0.000 description 1
- 229910017052 cobalt Inorganic materials 0.000 description 1
- GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N cobalt atom Chemical group [Co] GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 1
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 1
- 230000001351 cycling effect Effects 0.000 description 1
- 238000007865 diluting Methods 0.000 description 1
- 239000003085 diluting agent Substances 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 238000010285 flame spraying Methods 0.000 description 1
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 1
- 239000002803 fossil fuel Substances 0.000 description 1
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010439 graphite Substances 0.000 description 1
- 229910001026 inconel Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000011866 long-term treatment Methods 0.000 description 1
- 230000007774 longterm Effects 0.000 description 1
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 1
- 239000000320 mechanical mixture Substances 0.000 description 1
- 238000005088 metallography Methods 0.000 description 1
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 1
- 229910001120 nichrome Inorganic materials 0.000 description 1
- FEBJSGQWYJIENF-UHFFFAOYSA-N nickel niobium Chemical compound [Ni].[Nb] FEBJSGQWYJIENF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000035515 penetration Effects 0.000 description 1
- 239000012254 powdered material Substances 0.000 description 1
- 239000002244 precipitate Substances 0.000 description 1
- 230000001376 precipitating effect Effects 0.000 description 1
- 239000000047 product Substances 0.000 description 1
- QQONPFPTGQHPMA-UHFFFAOYSA-N propylene Natural products CC=C QQONPFPTGQHPMA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 125000004805 propylene group Chemical group [H]C([H])([H])C([H])([*:1])C([H])([H])[*:2] 0.000 description 1
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 1
- 230000035939 shock Effects 0.000 description 1
- 238000005245 sintering Methods 0.000 description 1
- 238000005063 solubilization Methods 0.000 description 1
- 238000004901 spalling Methods 0.000 description 1
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 description 1
- 230000003068 static effect Effects 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 239000000725 suspension Substances 0.000 description 1
- 230000000930 thermomechanical effect Effects 0.000 description 1
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 1
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C4/00—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C4/00—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge
- C23C4/04—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge characterised by the coating material
- C23C4/06—Metallic material
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
- Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
- Y10T29/00—Metal working
- Y10T29/49—Method of mechanical manufacture
- Y10T29/49316—Impeller making
- Y10T29/49336—Blade making
- Y10T29/49337—Composite blade
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Plasma & Fusion (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Coating By Spraying Or Casting (AREA)
- Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)
- Manufacture Of Alloys Or Alloy Compounds (AREA)
Description
- Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine verbesserte abtragsfeste Beschichtung für Gaswegkomponenten einer Turbomaschine, wobei ein Chromkarbid und eine aushärtbare Legierung auf Nickelbasis auf die Oberfläche von Gaswegkomponenten mittels thermischem Spritzen abgeschieden werden und die Gaswegkomponenten dann wärmebehandelt werden.
- Chromkarbid-Nickelbasis-Legierungen sind als Beschichtungen bekannt, um hohen statischen Reibungskoeffizienten und hohen Verschleißraten von Komponenten aus rostfreiem Stahl 316 im Kern von natriumgekühlten Reaktoren entgegenzuwirken. Die Beschichtungen für solche Anwendungen müssen starke Neutronenstrahlung aushalten, gegenüber flüssigem Natrium beständig sein, gegen thermischen Schock beständig sein und gute Selbstanpassungseigenschaften hinsichtlich Reibungskoeffizient und niedrigen Verschleißraten aufweisen. Der veröffentlichte Artikel mit dem Titel "Sodium Compatibility Studies of Low Friction Carbide Coatings for Reactor Application", Paper No. 17, von G.A. Whitlow et al, Corrosion/74, Chicago, Illinois, 4. - 8. März 1974, diskutiert die Auswirkungen von thermischer Wechselbelastung, Kompatibilität mit Natrium und ähnlichem auf eine Vielzahl von Beschichtungen einschließlich der Detonationskanonen-Beschichtung aus Cr&sub3;C&sub2; + Inconel 718. Inconel ist ein Warenzeichen der International Nickel Company für Nickellegierungen. Die Prüfüngen schlossen eine thermische Wechselbelastung zwischen 427 ºC (800 ºF) und 627 ºC (1160 ºF) für 1000 Stunden ein. Nach einer solchen Belastung trat kein Abplatzen oder eine andere mechanische Beschädigung der Beschichtung aus Cr&sub3;C&sub2; + Inconel 718 und keine mittels Metallographie beobachtbare mikrostrukturelle Veränderung auf, abgesehen von Veränderungen innerhalb des Substrats. Die Röntgenbewertung der Mikrostrukturen zeigte jedoch, daß die Beschichtung in abgeschiedenem Zustand Cr&sub7;C&sub3; + Cr&sub2;&sub3;C&sub6; enthielt und daß offensichtlich eine Umwandlung von Cr&sub7;C&sub3; in Cr&sub2;&sub3;C&sub6; bei einer Langzeitbehandlung bei erhöhten Temperaturen auftrat. Die Detonationskanonen-Beschichtung aus Cr&sub3;C&sub2; + Inconel 718 zeigte eine gute seibstanpassende Haftungs-Verschleißfestigkeit bei Verwendung in flüssigem Natrium.
- Zusätzlich zu Anwendungen mit flüssigem Natrium wurde die Gruppe der thermischen Spritzbeschichtungen auf Chromkarbidbasis viele Jahre lang verwendet, um für eine Rutsch- und Schlag-Verschleißfestigkeit bei erhöhten Temperaturen zu sorgen. Das bislang am häufigsten verwendete System ist die Zusammensetzung aus Chromkarbid + Nickelchrom. Der Nickelchrom-Bestandteil (gewöhnlich Ni - 20 Cr) der Beschichtung betrug zwischen etwa 10 und etwa 30 Gew.Prozent. Diese Beschichtungen wurden unter Verwendung aller Arten von thermischen Spritzverfahren, einschließlich Plasmaspritzabscheidung sowie Detonationskanonenabscheidung, hergestellt. Das für die thermische Spritzabscheidung verwendete Pulver ist gewöhnlich eine einfache mechanische Mischung aus den beiden Komponenten. Während die Chromkarbid-Komponente eines Pulvers gewöhnlich Cr&sub3;C&sub2; ist, enthalten die Beschichtungen im abgeschiedenen Zustand ein Übergewicht an Cr&sub7;C&sub3; zusammen mit geringeren Mengen von Cr&sub3;C&sub2; und Cr&sub2;&sub3;C&sub6;. Der Unterschied zwischen der Pulverzusammensetzung und der Beschichtung im abgeschiedenen Zustand tritt aufgrund der Oxidation des Cr&sub3;C&sub2; mit entsprechendem Verlust an Kohlenstoff auf. Eine Oxidation kann bei der Detonationskanonenabscheidung als Ergebnis von Sauerstoff oder Kohlendioxid in den Detonationsgasen auftreten, während eine Oxidation beim Plasmaspritzen als Ergebnis eines Ansaugens von Luft in den Plasmastrom auftritt. Diese Beschichtungen mit einem relativ hohen Volumenanteil der metallischen Komponente wurden zur selbstanpassenden Verschleißfestigkeit in Gasturbinenkomponenten bei erhöhten Temperaturen verwendet. Diese Beschichtungen weisen aufgrund des hohen metallischen Gehalts sowohl gute Schlag- als auch Abscheuer-Verschleiß- und Oxidationsfestigkeit auf Bei niedrigeren Temperaturen wurden Beschichtungen mit nominell 20 Gew.Prozent Nickelchrom für den Verschleiß gegen Kohlenstoff und Kohlenstoffgraphit in mechanischen Dichtungen und allgemein zum Verschleiß in Haftungs- und Abtragungsanwendungen verwendet. Diese Beschichtungen werden am häufigsten mittels thermischem Spritzen hergestellt. In dieser Gruppe der Beschichtungsverfahren wird das Beschichtungsmaterial, gewöhnlich in Pulverform, bis nahe an seinen Schmelzpunkt erhitzt, auf eine hohe Geschwindigkeit beschleunigt und auf die zu beschichtende Oberfläche geschleudert. Die Partikel schlagen auf die Oberfläche auf und fließen seitlich, um dünne linsenförmige Partikel, häufig Flecken genannt, zu bilden, welche zufällig ineinandergreifen und einander überlappen, um die Beschichtung zu bilden. Die Gruppe der thermischen Spritzbeschichtungen schließt Detonationskanonenabscheidung, Flammspritzen, Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen und Plasmaspritzen ein.
- US-A-4 275 090 offenbart ein Verfahren zum Autöringen einer verschleißfesten Beschichtung auf Gasturbinenteile, einschließlich Plasmaspritzen von einem Gemisch aus MCrAlY (wobei M Nickel, Kobalt, Eisen oder Gemische daraus darstellt) und Cr&sub3;C&sub2;-Pulver und einer nachfolgenden Wärmebehandlung. GB-A-2 180 558 offenbart das Plasmaspritzen von Cr&sub3;C&sub2; und Ni-20 %Cr-10 % Mo-Pulvern auf Turbinenteile und die nachfolgende Wärmebehandlung bei 538 ºC für 500 Stunden.
- Es stellte sich nun heraus, daß ein Verfahren zum Beschichten von Gaswegkomponenten von Turbomaschinen geschaffen werden kann, welches das thermische Spritzen von Chromkarbid und einer aushärtbaren Legierung auf Nickelbasis auf die Oberfläche der Komponenten umfaßt. Es stellte sich auch heraus, daß ein Verfahren zum Abscheiden einer Beschichtung mit Chromkarbid und einer aushärtbaren Legierung auf Nickelbasis, wie beispielsweise Inconel 718, auf eine Oberfläche einer Gaswegkomponente einer Turbomaschine mit nachfolgender Wärmebehandlung der beschichteten Oberfläche der Gaswegkomponente geschaffen werden kann. Es stellte sich ferner heraus, daß eine verbesserte abtragsfeste Beschichtung für Gaswegkomponenten von Turbomaschinen mit einer Beschichtung aus Chromkarbid plus einer aushärtbaren Legierung auf Nickelbasis geschaffen werden kann. Außerdem stellte sich heraus, daß eine wärmebehandelte, mittels thermischem Spritzen abgeschiedene Cr&sub3;C&sub2; + Inconel 718- Beschichtung für eine Gaswegkomponente von Turbomaschinen geschaffen werden kann.
- Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Beschichtung einer Oberfläche einer Gaswegkomponente einer Turbomaschine mit einer aus Chromkarbid und einer aushärtbaren Legierung auf Nickelbasis zusammengesetzten Beschichtung mit den Schritten thermisches Spritzen einer Pulverzusammensetzung aus Chromkarbid und einer aushärtbaren Legierung auf Nickelbasis auf zumindest einen Teil einer Oberfläche einer Gaswegkomponente einer Turbomaschine und Heizen der Beschichtung in dem Zustand, wie sie aufgebracht wurde, bei einer Temperatur zwischen 538 ºC und 899 ºC (zwischen 1000 ºF und 1650 ºF) für eine Zeitdauer zwischen 0,5 und 22 Stunden, was hinreichend ist, um die Ausscheidung intermetallischer Komponenten innerhalb des von der Legierung auf Nickelbasis gebildeten Bestandteils der Beschichtung zu bewirken.
- Bei dem Wärmebehandlungsschritt tritt eine Umwandlung der unter hoher Spannung stehenden mikrokristallinen Struktur im abgeschiedenen Zustand in eine stärker geordnete Struktur auf, in welcher die Phasen wohldefinierte Röntgenstrahlenbeugungsmuster zeigen.
- Die Erfindung bezieht sich ferner auf eine Turbomaschine, wie sie in Anspruch 9 definiert ist.
- Wie hier verwendet, soll eine Gaswegkomponente eine Komponente bedeuten, welche ausgelegt ist, um mit einem Gasstrom in Kontakt zu treten und die verwendet wird, um den Gasstrom zu beschränken oder die Richtung des Gasstroms in einer Turbomaschine zu ändern. Typische Turbomaschinen sind Gasturbinen, Dampfturbinen, Turboexpander und ähnliches. Die zu beschichtende Turbomaschinenkomponente kann beispielsweise die Schaufeln, Leitschaufeln, Kanalsegmente, Zwischenböden und Düsenblöcke und ähnliches sein.
- Gaswegkomponenten können einem Abtragungsverschleiß durch feste Partikel in verschiedenen Größen ausgesetzt sein, die mit solchen Komponenten unter verschiedenen Winkeln in Kontakt treten. Bei vielen Auslegungen von Turbomaschinen ist der Hauptwinkel des Auftreffens von festen Partikeln auf die Gaswegkomponenten klein, wobei gewöhnlich Winkel zwischen 10 und 300 auftreten. Deshalb ist die Lebensdauer von Gaswegkomponenten, welche Abtragungsverschleiß ausgesetzt sind, durch die Kleinwinkel-Verschleißfestigkeit der Oberflächen gegenüber Teilchenaufprall bei diesen Winkeln bestimmt. Der Chromkarbidbestandteil der Beschichtung sorgt für eine gute Abtragsfestigkeit, während der aushärtbare Beschichtungsbestandteil aus einer Legierung auf Nickelbasis für die Widerstandsfähigkeit der Beschichtung gegenüber thermischen und mechanischen Spannungen der Beschichtung sorgt. Es wird erwartet, daß die aushärtbare Legierung auf Nickelbasis nicht effektiv zu der Abtragsfestigkeit der Beschichtung, insbesondere bei kleinen Aufprallwinkeln, beitragen würde bzw. diese erhöhen würde. Jedoch stellte sich unerwarteterweise heraus, daß die Zugabe einer aushärtbaren Legierung auf Nickelbasis nicht nur für eine thermomechanische Festigkeit der Beschichtung sorgte, sondern auch die Abtragsfestigkeit der Beschichtung erhöhte, insbesondere bei kleinen Aufprallwinkeln. Diese erhöhte Abtragsfestigkeit der Beschichtung ist besonders wichtig für Gaswegkomponenten, da Abtragsverschleiß die Gesamtabmessungen der Komponenten verringern kann, wodurch die Turbomaschine in ihrer beabsichtigten Verwendung weniger effizient wird. Dies ist insbesondere für Schaufeln von Dampf- und Gasturbinen der Fall.
- Wie hier verwendet, soll eine aushärtbare Legierung auf Nickelbasis eine Nickelbasislegierung bedeuten, die durch Erhitzen ausgehärtet werden kann, um ein Ausfällen einer intermetallischen Verbindung aus einer übersättigten Lösung der Nickelbasislegierung zu bewirken. Die intermetallische Verbindung enthält gewöhnlich mindestens ein Element aus der Gruppe Muminium, Titan, Niob und Tantal. Vorzugsweise sollte das Element in einer Menge von 0,5 bis 13 Gew.Prozent, stärker bevorzugt zwischen 1 und 9 Gew.Prozent der Beschichtung vorhanden sein. Die bevorzugte aushärtbare Legierung auf Nickelbasis ist Inconel 718, das etwa 53 Gew.Prozent Nickel, etwa 19 Gew.Prozent Eisen, etwa 19 Gew.Prozent Chrom, etwa 3 Gew.Prozent Molybdän, etwa 5 Gew.Proient Niob mit etwa 1 Gew.Prozent Tantal enthält, wobei der Rest, falls vorhanden, geringe Mengen anderer Elemente enthält. Inconel 718 kann, wenn es erhitzt wird, durch Nickel-intermetallische Verbindungen gehärtet werden, die in einer austenitischen (fcc)-Matrix ausgefällt werden. Es wird angenommen, daß Inconel 718 eine Nickel-Niob-Verbindung als die härtende Phase abscheidet. Bei aushärtbaren Legierungen beginnt das Ausfällen bei etwa 538 ºC (1000 ºF) und nimmt allgemein mit ansteigender Temperatur zu. Jedoch kann oberhalb einer bestimmten Temperatur, wie beispielsweise 904 ºC (1660 ºF) die Sekundärphase wieder zurück in Lösung gehen. Die Temperatur, bei welcher dieses Wieder-in-Lösung-Gehen stattfindet, beträgt für Inconel 718 1550 ºF (843 ºC). Typische Härtungstemperaturen für Inconel 718 liegen zwischen 1275 ºF und 1400 ºF (691 ºC bis 760 ºC), wobei die allgemein bevorzugte Temperatur 1325 ºF (718 ºC) beträgt. Allgemein liegt für eine Nickelbasislegierung die Aushärtungstemperatur zwischen 538 ºC und 899 ºC (1000 ºF bis 1650 ºF) und vorzugsweise zwischen 691 ºC und 760 ºC (1275 ºF bis 1400 ºF). Die Zeitdauer der Wärmebehandlung kann allgemein zwischen mindestens 0,5 Stunden und 22 Stunden, vorzugsweise zwischen 4 und 16 Stunden, betragen.
- Geeignete Chromkarbide sind Cr&sub3;C&sub2;, Cr&sub2;&sub3;C&sub6;, Cr&sub7;C&sub3;, wobei Cr&sub3;C&sub2; bevorzugt ist. Abgeschiedene Beschichtungen von Cr&sub3;C&sub2; + Inconel 718 wurden mittels Röntgenbewertung hinsichtlich der Mikrostruktur untersucht, und es stellte sich heraus, daß sie überwiegend aus Cr&sub7;C&sub3; plus Cr&sub2;&sub3;C&sub6; bestanden. Es wird angenommen, daß bei einer Langzeitbehandlung bei erhöhten Temperaturen sich das Cr&sub7;C&sub3; in Cr&sub2;&sub3;C&sub6; umwandeln kann. Für die meisten Anwendungen sollte der Chromgehalt in dem Chromkarbid zwischen 85 und 95 Gew.Prozent und vorzugsweise etwa 87 Gew.Prozent betragen.
- Bei den meisten Anwendungen kann der Anteil der Chromkarbidkomponente der Beschichtung von 50 bis 95 Gew.Prozent, vorzugsweise von 70 bis 90 Gew.Prozent, variieren, und die aushärtbare Legierung auf Nickelbasis kann von 5 bis 50 Gew.Prozent, vorzugsweise von 10 bis 30 Gew.Prozent, der Beschichtung variieren.
- Flammplattierung mittels einer Detonation unter Verwendung einer Detonationskanone kann eingesetzt werden, um ertindungsgemäße Beschichtungen zu erzeugen. Grundsätzlich besteht die Detonationskanone aus einem fluidgekühlten Lauf mit einem kleinen Innendurchmesser von etwa 2,54 cm (1 inch). Allgemein wird ein Gemisch aus Sauerstoff und Acetylen zusammen mit einem Beschichtungspulver in die Kanone eingebracht. Das Sauerstoff-Acetylen- Brennstoffgas-Gemisch wird gezündet, um eine Detonationswelle zu erzeugen, welche den Lauf der Kanone hinunterläuft, worauf sich das Beschichtungsmaterial erhitzt und aus dem Lauf auf einen zu beschichtenden Artikel geschleudert wird. Bezüglich der Offenbarung eines Verfahrens und einer Vorrichtung, welche Detonationswellen zur Flammbeschichtung verwenden, sei auf US-A-2 714 563 verwiesen.
- Bei einigen Anwendungen kann es wünschenswert sein, das Sauerstoff-Acetylen-Brennstoff- Gemisch mit einem inerten Gas, wie beispielsweise Stickstoff oder Argon, zu verdünnen. Es stellte sich heraus, daß das gasförmige Verdünnungsmittel die Flammentemperatur verringert, da es nicht an der Detonationsreaktion teilnimmt. Bezüglich der Offenbarung eines Verfahrens der Verdünnung des Sauerstoff-Acetylen-Brennstoff-Gemisches, um es zu ermöglichen, daß das Detonationsplattierungsverfahren mit einer erhöhten Anzahl von Beschichtungszusammensetzungen und ebenso für neue und in weiterem Umfang nützliche Anwendungen auf der Basis der erzielbaren Beschichtung verwendet werden kann, sei auf US-A-2 972 550 verwiesen.
- Bei anderen Anwendungen kann ein zweites brennbares Gas zusammen mit Acetylen verwendet werden, wobei ein solches Gas vorzugsweise Propylen ist. Bezüglich der Offenbarung der Verwendung von zwei brennbaren Gasen sei auf US-A-4 902 539 verwiesen.
- Plasmabeschichtungs-Brenner stellen ein anderes Mittel zum Erzeugen von Beschichtungen in verschiedenen Zusammensetzungen auf geeigneten Substraten gemäß der vorliegenden Erfindung dar. Die Plasmabeschichtungstechnik ist ein Sichtlinien-Verfaliren, in welchem das Beschichtungspulver bis nahe an oder über seinen Schmelzpunkt erhitzt wird und mittels eines Plasmagasstroms gegen ein zu beschichtendes Substrat beschleunigt wird. Beim Aufprall des beschleunigten Pulvers bildet sich eine Beschichtung, die aus vielen Lagen überlappender dünner linsenförmiger Partikel oder Flecken besteht. Dieses Verfahren ist auch für die Erzeugung von Beschichtungen gemäß der vorliegenden Erfindung geeignet. Ein weiteres Verfahren zum Erzeugen der Beschichtungen gemäß der vorliegenden Erfindung können die Hochgeschwindigkeits-Flammspritz-Beschichtungsverfahren einschließlich sogenannten Überschallflammspritz-Beschichtungsverfahren darstellen. Bei diesen Verfahren werden Sauerstoff und ein Brennstoffgas kontinuierlich verbrannt, wodurch sie einen Hochgeschwindigkeitsgasstrom bilden, in welchen pulverisiertes Material in der Beschichtungszusammensetzung injiziert wird. Die Pulverpartikel werden bis nahe an ihren Schmelzpunkt erhitzt, beschleunigt und auf die zu beschichtende Oberfläche geschleudert. Beim Aufprall fließen die Pulverpartikel nach außen, wobei sie überlappende, dünne linsenförmige Partikel oder Flecken bilden.
- Die Chromkarbidpulver des Beschichtungsmaterials zur Verwendung beim Ausbilden der beschichteten Lagen gemäß der vorliegenden Erfindung sind vorzugsweise mittels des Sinter- und Zerkleinerungsverfahrens hergestellte Pulver. Bei diesem Verfahren werden die Bestandteile der Pulver bei einer hohen Temperatur gesintert, und das sich ergebende Sinterprodukt wird zerkleinert und klassiert. Die metallischen Pulver werden vorzugsweise mittels Argonzerstäubung und nachfolgendem Klassieren hergestellt. Die Pulverkomponenten werden dann mittels mechanischem Mischen vermischt.
- Probebeschichtungen gemäß der vorliegenden Erfindung wurden hergestellt und dann zusammen mit Probebeschichtungen, welche nicht wärmebehandelt waren und/oder keine aushärtbare Legierung auf Nickelbasis enthielten, verschiedenen Tests unterzogen. Eine kurze Beschreibung der verschiedenen Tests erfolgt in Verbindung mit den speziellen Beispielen.
- Um die überlegene Abtragsfestigkeit der erfindungsgemäßen Beschichtungen zu demonstrieren, wurde ein Abtragstest unter der Verwendung von Feinchromit (FeCr&sub2;O&sub4;) als Abtragsmittel durchgeführt. Für diese Untersuchung wurden Platten aus rostfreiem Stahl 304 mit einer Breite von 25,4 mm, einer Länge von 50,8 mm und einer Dicke von 1,6 mm auf einer 25,4 x 50,8 mm Fläche mit der betreffenden Beschichtung beschichtet. Die Beschichtungen waren nominell 150 µm dick. Um diese Beschichtungen zu testen, wurden die Platten in einer Entfernung von 101,6 mm von einem Luftstrahl mit einem Durchmesser von 2,19 mm unter einem Winkel von 20º zu der Oberfläche der Platte angeordnet, wobei der Luftstrahl zu der Längsachse der Platte ausgericbtet war. Luft wurde dem Strahl mit einem Druck von 32 psig (0,22 MN/m²) zugeführt. 1200 g des Feinchromit-Abtragsmittels wurden mit einer solchen Rate in den Luftstrahl angesaugt, daß das gesamte Material in 100 bis 110 Sekunden verbraucht wurde. Der durch das Aufprallen der Feinchromitpartikel verursachte Abtragsgrad der Beschichtung wurde mittels Wiegen der Platte vor und nach dem Test gemessen. Die Abtragsrate wurde als Gewichtsänderung pro Gramm Abtragsmittel ausgedrückt. Ein ähnlicher Test wurde bei einem Aufprallwinkel von 90º durchgeführt, wobei alle Parameter und Prozeduren die gleichen waren, mit der Ausnahme, daß nur 600 g Material in den Luftstrahl eingebracht wurden.
- Um die Effizienz der erfindungsgemäßen Beschichtungen hinsichtlich der Widerstandsfähigkeit gegenüber Abtrag durch sehr kleine Partikel zu bewerten, die ähnlich zu denjenigen sind, wie man sie bei vielen industriellen Anwendungen findet, wurde Test 1 verwendet. Bei diesem Test ist das Abtragsmaterial ein Feinchromit (FeCr&sub2;O&sub4;), ein Material, das ähnlich dem Material ist, das von Wärmetauschern in mit fossilen Brennstoffen betriebenen Stromerzeugungskraffwerken abblättert. Dieses Material wird im Dampf mitgerissen und bewirkt einen Feststoffpartikelabtrag der Turbine. Bei diesem Test wurden Chromkarbid-Nickelchrombeschichtungen mit einer Beschichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, Chromkarbid-Inconel 718, sowohl im abgeschiedenen Zustand als auch im wärmebehandelten Zustand verglichen. Beschichtungen mit einer Dicke von etwa 150 µm wurden unter Verwendung eines Detonationskanonenverfahrens auf einem Substrat aus rostfreiem Stahl 304 abgeschieden. Das Ausgangsbeschichtungspulver für Beschichtung A in Tabelle 1 betrug 11 % Inconel 718 und 89 % Chromkarbid. Das Ausgangspulver für Beschichtung B in Tabelle 1 bestand aus 11 % Ni20Cr und 89 % Chromkarbid. Die Wärmebehandlung bestand in diesem Beispiel aus 8 Stunden bei 718ºC im Vakuum. Wie man aus den Daten von Test 1, wie in Tabelle 1 gezeigt, sehen kann, besteht kein wesentlicher Unterschied in der Leistungsfähigkeit der beiden Beschichtungen in dem abgeschiedenen Zustand bei einem Aufprallwinkel von 20º oder 90º in dem Feinchromittest bei Raumtemperatur. Jedoch ist ohne weiteres ersichtlich, daß in dem wärmebehandelten Zustand die Beschichtung gemäß der vorliegenden Erfindung (Beschichtung A) der Beschichtung B sowohl bei einem Aufprallwinkel von 20º als auch 90º wesentlich überlegen ist. TABELLE 1 Beschichtungsprobe Zusammensetzung [Crkarbid] * "HT TRT" bedeutet Wärmebehandlung, "besch." bedeutet nach Beschichtung, "wärmebeh." bedeutet wärmebehandelt (ebenso in den anderen Tabellen)
- Um die überlegene Abtragsfestigkeit der Beschichtungen gemäß der vorliegenden Erfindung zu demonstrieren, wurde ein Abtragstest durchgeführt, wobei sowohl die Beschichtung als auch das Abtragsmittel bei einer nominellen Temperatur von 550 ºC gehalten wurden. Für diese Untersuchung wurden Platten aus rostfreiem Stahl 304 mit einer Dicke von 4,0 mm auf einer 25,4 mm langen und 12,7 mm breiten Fläche mit der jeweiligen Beschichtung beschichtet. Die Beschichtungen waren nominell 250 µm dick. Um die Beschichtungen zu testen, wurden die Platten an einem Ende eines beheizten Tunnels mit einer Querschnittsabmessung von 89 mm x 25,4 mm und einer Länge von 3,66 m befestigt, an dessen anderem Ende ein Brenner befestigt war, welcher einen Strom von hinreichend heißem Gas erzeugte, um die Probebeschichtungen auf die oben erwähnte Testtemperatur zu erhitzen. Ein relativ grobes Chromit-Abtragsmittel mit einem nominellen Durchmesser von 75 µm wurde in den aus dem Brenner austretenden Strom eingebracht, so daß es eine Geschwindigkeit von nominell 228 m/s erreichte, bevor es auf die Oberfläche der Beschichtung geschleudert wurde. Der Aufprallwinkel wurde mechanisch mittels des Anpassens des Lagewinkels der beschichteten Probe verändert. Der durch den Aufprall der Chromitpartikel verursachte Abtragsgrad wurde mittels des Wiegens der Platte vor und nach dem Test gemessen. Die Abtragsrate wurde als Gewichtsveränderung pro Gramm auf die Probe geschleudertes Abtragsmittel ausgedrückt.
- Um den Wert der Beschichtungen gemäß der vorliegenden Erfindung hinsichtlich der Abtragsfestigkeit bei erhöhten Temperaturen zu bewerten, wurde Test II verwendet. Bei diesem Test wurde ein etwas gröberes Chromitmaterial derselben chemischen Zusammensetzung, jedoch mit größerer Partikelgröße als das in Test 1 in Beispiel 1 verwendete Material, verwendet. Bei diesem Test wurde Beschichtung A (80 Gew.Prozent Chromkarbid plus 20 Gew.Prozent Nickelchrom) und Beschichtung C (65 Gew.Prozent Chromkarbid plus 35 Gew.Prozent Nickelchrom) mit einer Beschichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, Beschichtung B (78 Gew.Prozent Chromkarbid plus 22 Gew.Prozent Inconel 718), verglichen. Die Beschichtungen wurden wie in Beispiel 1 in einer Dicke von etwa 250 µm aufgebracht. Die Ergebnisse dieses Tests mit einer Partikelgeschwindigkeit von 228 mis sind in Tabelle 2A gezeigt. Ähnliche Tests wurden mit einer Partikelgeschwindigkeit von 303 mis, wie in Tabelle 2B gezeigt, durchgeführt. Aus diesen Daten ist ziemlich offensichtlich, daß die Beschichtung gemäß der vorliegenden Erfindung (Beschichtung B) bei allen Aufprallwinkeln besser als die Beschichtungen A und C bei einer Partikelgeschwindigkeit von 228 mis (Tabelle 2A) ist und bei einem Aufprallwinkel von 15º überlegen ist. Bei einer Partikelgeschwindigkeit von 303 mis (Tabelle 2B) war die Beschichtung gemäß der vorliegenden Erfindung (Beschichtung B) in dem Grobchromit-Abtragstest bei einem Aufprallwinkel von 15º den Beschichtungen A und C überlegen. TABELLE 2A Raten - Mikrogramm Verlust/g Abtragsmittel bei Aufprallwinkeln von Beschichtungsprobe Zusammensetzung Gew. % [Crkarbid] * Partikelgröße des metallischen Anteils ist kleiner als bei den Beschichtungen B und C TABELLE 2B Raten - Mikrogramm Verlust/g Abtragsmittel bei Aufprallwinkeln von Beschichtungsprobe Zusammensetzung Gew. % [Crkarbid] * Partikelgröße des metallischen Anteils ist kleiner als bei den Beschichtungen B und C 1 - Ausgangspulver enthält 11% (80Nickel-20Chrom), 89% Cr&sub3;C&sub2; 2 - Ausgangspulver enthält 11% Inconel 718, 89% Cr&sub3;C&sub2; 3 - Ausgangspulver enthält 25% (80Nickel-20Chrom), 75% Cr&sub3;C&sub2;
- Um die überlegende Abtragsfestigkeit der Beschichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zu demonstrieren, wurde ein Abtragstest unter Verwendung von relativ grobem kantigem Aluminiumoxid als das Abtragsmittel durchgeführt. Für diese Untersuchung wurden Platten aus rostfreiem Stahl 304 mit einer Breite von 25,4 mm, einer Länge von 50,8 mm und einer Dicke von 1,6 mm auf einer Fläche von 25,4 x 50,8 mm mit der jeweiligen Beschichtung beschichtet. Die Beschichtungen waren nominell 150 µm dick. Um diese Beschichtungen zu untersuchen, wurden die Platten in einem Abstand von 101,6 mm von einem Luftstrahl mit einem Durchmesser von 2,19 mm unter einem Winkel von 20º zu der Oberfläche der Platte angeordnet, wobei der Luftstrahl entlang der Längsachse der Platte ausgerichtet war. Luft wurde dem Strahl bei einem Druck von 32 psig (0,22 MN/m²) zugeführt. 600 Gramm des Muminiumoxid-Abtragsmittels wurden in den Luftstrahl mit einer solchen Rate angesaugt, daß das gesamte Material in 100 bis 110 Sekunden verbraucht wurde. Der durch den Aufprall der Muminiumoxidpartikel verursachte Abtragsgrad der Beschichtung wurde mittels des Wiegens der Platte vor und nach dem Test gemessen. Die Abtragsrate wurde als Gewichtsveränderung pro Gramm Abtragsmittel ausgedrückt. Ein ähnlicher Test wurde bei einem Aufprallwinkel von 90º durchgeführt, wobei alle Parameter und Prozeduren die selben waren, mit der Ausnahme, daß nur 300 Gramm des Materials in den Luftstrahl eingebracht wurden.
- Bei diesem Test wurden relativ große Aluminiumoxidpartikel bei Raumtemperatur verwendet. Die Untersuchung wurde unter Verwendung von Test III sowohl bei Aufprallwinkeln von 20º als auch 90º durchgeführt, wobei die Beschichtungen sich entweder im abgeschiedenen Zustand oder im wärmebehandelten Zustand, wie in Tabelle 3 gezeigt, befanden. Die Wärmebehandlung betrug bei diesem Beispiel entweder 8 Stunden in Vakuum bei 718ºC oder 8 Stunden in Luft bei 718ºC. Die Beschichtungen wurden wie in Beispiel 1 in einer Dicke von 150 µm aufgebracht, und die Ausgangs- und Endzusammensetzungen der Pulver bzw. der beschichteten Lagen sind in Tabelle 3 gezeigt. Aus den Daten ist ersichtlich, daß im abgeschiedenen Zustand nur eine geringe Differenz zwischen den drei Beschichtungen beim Testen mit grobem Muminiunioxid bei Raumtemperatur bestand. Die wärmebehandelten Beschichtungen zeigten bei einem Aufprallwinkel von 90º eine Verbesserung. Jedoch besteht bei einem Aufprallwinkel von 20º eine wesentliche Verbesserung zwischen den Beschichtungen gemäß der vorliegenden Erfindung (Beschichtungen A und B) und den herkömmlichen Beschichtungen (Beschichtung C). Dies ist ein sehr bedeutendes Untersuchungsergebnis, da der größte Teil des Abtrags in der Industrie bei kleinen Winkeln und nicht bei großen Winkeln auftritt.
- Die im Vakuum erhitzte Beschichtung der Probebeschichtung A wurde 72 Stunden lang bei 718ºC in Luft weiter erhitzt, was als Überhärten der Beschichtung betrachtet wird. Bei 20º wurde jedoch eine Abtragsrate von 57 µg/g und bei 90º wurde eine Abtragsrate von 78 µg/g ermittelt. Die verbesserte Beschichtungsleistungsfähigkeit wurde trotz der Überhärtung, die im Betrieb auftreten kann, erhalten. TABELLE 3 Beschichtungsprobe Zusammensetzung Gew.% HT TRT Atmosphäre [Crkarbid] Luft Vakuum 1 - Ausgangspulver enthält 11% IN 718, 89% Chromkarbid 2 - Ausgangspulver enthält 11% (80Nickel-20Chrom), 89% Chromkarbid
- Bei diesem Beispiel wurde unter Verwendung von Test III die Auswirkung des Metallphasenanteils in drei Beschichtungen gemäß der vorliegenden Erfindung verglichen. Es wurden Beschichtungen mit einer Dicke von 150 µm sowohl im abgeschiedenen als im wärmebehandelten Zustand bewertet. Die Wärmebehandlung bestand in diesem Fall aus 8 Stunden in Vakuum bei 718ºC. Die Ergebnisse sind in Tabelle 4 gezeigt. Bei einem Aufprallwinkel von 90º besteht ein geringer Leistungsunterschied zwischen den drei Beschichtungen entweder im abgeschiedenen oder im warmebehandelten Zustand. Bei einem Aufprallwinkel von 20º tritt offensichtlich ein leichter Anstieg der Abtragsraten mit einem Anstieg in der Metallphase entweder in dem abgeschiedenen oder dem wärmebehandelten Zustand auf. Dieser Anstieg ist jedoch nicht sehr groß. Es ist deshalb offensichtlich, daß die Beschichtungen gemäß der vorliegenden Erfindung über einen großen Bereich des Metallphasengehalts nützlich sind. TABELLE 4 Beschichtungsprobe Zusammensetzung Gew.% [Crkarbid] 1 - Ausgangspulver enthält 5,5% IN 718, 95,5% Chromkarbid 2 - Ausgangspulver enthält 11% IN 718, 89% Chromkarbid 3 - Ausgangspulver enthält 16,5% IN 718, 83,5% Chromkarbid
- Um die überlegene Abtragsfestigkeit der Beschichtungen gemäß der vorliegenden Erfindung zu demonstrieren, wurde ein Abtragstest durchgeführt, wobei sowohl die Beschichtung als auch das Abtragsmittel bei einer Temperatur von nominell 500ºC gehalten wurden. Für diese Untersuchung wurden 12,7 mm dicke Blöcke aus rostfreiem Stahl 410 auf einer 34 mm langen und 19 mm breiten Fläche mit der jeweiligen Beschichtung beschichtet. Die Beschichtungen waren nominell 250 µm dick. Um die Beschichtungen zu untersuchen, wurden die Blöcke in einem abgeschlossenen Volumen angebracht, das mit einem inerten Gas gefüllt war, in welches ein Strom von Aluminiumoxidpartikeln mit einer nominellen Größe von 27 µm in Suspension in inertem Gas durch eine Düse aus Sinterkarbid mit einem Durchmesser von 1,6 mm und einer Länge von 150 mm eingebracht werden konnte. Die beschichteten Proben wurden in einem Abstand von 20 mm von dem Ausgangsende dieser Düse angebracht, wobei sie unter einem Winkel von 90º oder 30º zu der Mittellinie der Düse orientiert waren. Der Behälter wurde in einem Ofen plaziert, welcher die beschichteten Proben auf eine Temperatur von 500ºC erhitzte. Während sie sich auf dieser Temperatur befanden, wurden sie dem Aufprall einer bekannten Masse von Muminiumoxidpartikeln ausgesetzt, die bei einer Geschwindigkeit von etwa 94 Meter pro Sekunde für eine bestimmte Zeitdauer strömten. Die maximale Tiefe, bis auf welche die Muminiumoxidpartikel in die Beschichtung eindrangen, wurde als Maß für den Abtrag verwendet. Die Abtragsrate wurde als Eindringtiefe pro Gramm auf die Probe geschleudertes Abtragsmittel ausgedrückt.
- Probebeschichtungen mit einer Dicke von 150 um wurden wie in Beispiel 1 unter Verwendung der in Tabelle 5 gezeigten Zusammensetzung hergestellt. Die Daten zeigen, daß die Abtragsrate bei einem Aufprallwinkel von 30º für die wärmebehandelten Beschichtungen gemäß der vorliegenden Erfindung (Beschichtungen A und B) besser war als die wärmebehandelten herkömmlichen Beschichtungen (Beschichtungen C und D). TABELLE 5 Beschichtungsprobe Zusammensetzung Gew.% [Crkarbid] Keine 1 - Ausgangspulver enthält 11% IN 718, 89% Chromkarbid 2 - Ausgangspulver enthält 11% Nichrome, 89% Chromkarbid
- Die wärmebehandelte erfindungsgemäße Beschichtung aus Chromkarbid plus einer aushärtbaren Legierung auf Nickelbasis ist ideal für die Verwendung in Gaswegkomponenten von Turbomaschinen geeignet. Die Dicke der Beschichtung kann zwischen 5 und 1000 µm für die meisten Anwendungen variieren, wobei eine Dicke zwischen etwa 15 und 250 µm bevorzugt ist. Geeignete Substrate zur Verwendung mit der vorliegenden Erfindung schließen Nickelbasislegierungen, Kobaltbasislegierungen, Eisenbasislegierungen, Titanbasislegierungen und Legierungen auf der Basis von feuerfestem Material ein.
- Der Wärmebehandlungsschritt gemäß der vorliegenden Erfindung kann anschließend an den Beschichtungsabscheidungsschritt an der selben Einrichtung ausgeführt werden, oder die beschichtete Gaswegkomponente könnte auf oder an einem Turbomaschinensystem installiert werden und dann könnte die beschichtete Komponente dem Wärmebehandlungsschritt unterzogen werden. Wenn die beabsichtigte Umgebung der beschichteten Komponente kompatibel mit dem Wärmebehandlungsschntt ist, dann kann die beschichtete Komponente in ihrer beabsichtigten Umgebung wärmebehandelt werden. Beispielsweise kann die beschichtete Komponente, wie beispielsweise eine Schaufel, in ihrer beabsichtigten Umgebung einer erhöhten Temperatur ausgesetzt werden, und der Wärmebehandlungsschritt kann in solch einer Umgebung ausgeführt werden, vorausgesetzt, daß die Umgebung mit der Bedingung des Wärmebehandlungsschritts kompatibel ist. Somit muß der Wärmebehandlungsschritt nicht unmittelbar nach dem Beschichtungsabscheidungsschritt oder an der selben Einrichtung ausgeführt werden.
- Während die obigen Beispiele Detonationskanonenanordnungen zum Autbringen der Beschichtungen verwenden, können Beschichtungen gemäß der vorliegenden Erfindung unter Verwendung anderer thermischer Spritztechnologien einschließlich, jedoch nicht darauf beschränkt, Plasmaspritzen, Hochgeschwindigkeits-Flammabscheidung und Überschallflammspritzen, hergestellt werden.
Claims (14)
1. Verfahren zur Beschichtung einer Oberfläche einer Gaswegkomponente einer
Turbomaschine mit einer aus Chromkarbid und einer aushärtbaren Legierung auf
Nickelbasis zusammengesetzten Beschichtung mit den Schritten thermisches Spritzen
einer Zusammensetzung aus Chromkarbid und einer aushärtbaren Legierung auf
Nickelbasis auf zumindest einen Teil einer Oberfläche einer Gaswegkomponente einer
Turbomaschine und Heizen der Beschichtung in dem Zustand, wie sie aufgebracht
wurde, bei einer Temperatur zwischen 538 ºC und 899 ºC (zwischen 1000 ºF und
1650 ºF) für eine Zeitdauer zwischen 0,5 und 22 Stunden, was hinreichend ist, um die
Ausscheidung intermetallischer Komponenten innerhalb des von der Legierung auf
Nickelbasis gebildeten Bestandteus der Beschichtung zu bewirken.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Heiztemperatur für eine Zeitdauer zwischen 4
und 16 Stunden zwischen 691 ºC und 760 ºC (zwischen 1275 ºF und 1400 ºF) liegt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die aushärtbare Legierung auf Nickelbasis
etwa 53 Gewichtsprozent Nickel, etwa 19 Gewichtsprozent Chrom, etwa 19
Gewichtsprozent Eisen, etwa 3 Gewichtsprozent Molybdän, etwa 5 Gewichtsprozent
Niob und etwa 1 Gewichtsprozent Tantal enthält, wobei der Rest, falls vorhanden, aus
einem oder mehreren Elementen besteht.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Chromkarbid aus Cr&sub3;C&sub2;, Cr&sub7;C&sub3;
und Cr&sub2;&sub3;C&sub6; ausgewählt ist.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Chromkarbid zwischen 50 und
95 Gewichtsprozent der Beschichtung und die aushärtbare Legierung auf Nickelbasis
zwischen 5 und 50 Gewichtsprozent der Beschichtung bildet.
6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei das Chromkarbid zwischen 70 und 90
Gewichtsprozent und die aushärtbare Legierung auf Nickelbasis zwischen 10 und 30
Gewichtsprozent der Beschichtung bildet.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Gaswegkomponente der
Turbomaschine aus einer Gruppe bestehend aus Schaufeln, Leitschaufeln,
Kanalsegmenten und Zwischenböden ausgewählt ist.
8 Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Turbomaschine eine Turbine
ist.
9. Turbomaschine mit einer Gaswegkomponente, die gemäß dem Verfahren von
Anspruch 1 mit einer Zusammensetzung aus einem Chromkarbid und einer
aushärtbaren Legierung auf Nickelbasis beschichtet ist.
10. Turbomaschine nach Anspruch 9, wobei die Beschichtung eine wärmebehandelte
Zusammensetzung aus Chromkarbid und einer aushärtbaren Legierung auf Nickelbasis
aulweist.
11. Turbomaschine nach Anspruch 9 oder 10, wobei die Maschine eine Turbine ist.
12. Turbomashine nach einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei die Gaswegkomponente aus
einer Gruppe bestehend aus einer Schaufel, einer Leitschaufel, einem Zwischenboden
und einem Düsenblock ausgewählt ist.
13. Turbomaschine nach einem der Ansprüche 9 bis 12, wobei das Chromkarbid Cr&sub3;C&sub2;
aulweist.
14. Turbomaschine nach einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei die intermetallischen
Verbindungen innerhalb des Beschichtungsbestandteils aus einer aushärtbaren
Legierung auf Nickelbasis ausgeschieden werden.
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US07/599,482 US5137422A (en) | 1990-10-18 | 1990-10-18 | Process for producing chromium carbide-nickel base age hardenable alloy coatings and coated articles so produced |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| DE69116303D1 DE69116303D1 (de) | 1996-02-22 |
| DE69116303T2 true DE69116303T2 (de) | 1996-09-05 |
Family
ID=24399795
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| DE69116303T Expired - Fee Related DE69116303T2 (de) | 1990-10-18 | 1991-10-17 | Herstellung von Chromiumkarbid-Nickel-Beschichtungen |
Country Status (8)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5137422A (de) |
| EP (1) | EP0482831B1 (de) |
| JP (1) | JPH07826B2 (de) |
| KR (1) | KR950008379B1 (de) |
| AU (1) | AU643837B2 (de) |
| CA (1) | CA2053646C (de) |
| DE (1) | DE69116303T2 (de) |
| SG (1) | SG47919A1 (de) |
Families Citing this family (27)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE69204120T2 (de) * | 1991-07-12 | 1996-04-11 | Praxair Technology Inc | Mit Chromkarbid aushärtbare Legierung auf Nickelbasis beschichtetes rotierendes Dichtungselement. |
| US5496046A (en) * | 1992-03-22 | 1996-03-05 | Brandon; Ronald E. | Turbine seal rub protection means |
| EP0589072A1 (de) * | 1992-09-21 | 1994-03-30 | Asea Brown Boveri Ag | Turbolader für Schwerölbetrieb |
| FR2696760B1 (fr) * | 1992-10-09 | 1994-11-04 | Alsthom Gec | Revêtement pour parties frottantes par rotation d'une pièce en acier matensitique. |
| US5348446A (en) * | 1993-04-28 | 1994-09-20 | General Electric Company | Bimetallic turbine airfoil |
| EP0622471A1 (de) * | 1993-04-30 | 1994-11-02 | EG&G SEALOL, INC. | Chromcarbid und festes Schmiermittel enthaltendes Verbundmaterial zur Herstellung von einer Beschichtung mittels hochgeschwindigkeitsen Sauerstoff Brennstoffspritzen |
| CA2129874C (en) * | 1993-09-03 | 1999-07-20 | Richard M. Douglas | Powder for use in thermal spraying |
| ATE223518T1 (de) * | 1994-03-17 | 2002-09-15 | Westaim Corp | Überzüge mit niedriger reibung auf der basis von kobalt auf titan |
| US5584360A (en) * | 1994-05-16 | 1996-12-17 | Wedeven; Lavern D. | Method for broad temperature range lubrication with vapors |
| US5636708A (en) * | 1994-05-16 | 1997-06-10 | Wedeven; Lavern D. | Method and device for broad temperature range vapor lubrication |
| DE69508658T2 (de) * | 1994-06-24 | 1999-10-14 | Praxair S.T. Technology | Verfahren zur Herstellung von Karbidteilchen feinverteilt in einem Überzug auf Basis von M Cr Al Y |
| KR100244654B1 (ko) * | 1995-12-12 | 2000-03-02 | 이구택 | 내식성이 우수한 용사재료 |
| GB2319783B (en) * | 1996-11-30 | 2001-08-29 | Chromalloy Uk Ltd | A thermal barrier coating for a superalloy article and a method of application thereof |
| GB2320033B (en) * | 1996-12-05 | 2001-06-06 | Fmc Corp | Improvements in strength and wear resistance of mechanical components |
| US6071324A (en) * | 1998-05-28 | 2000-06-06 | Sulzer Metco (Us) Inc. | Powder of chromium carbide and nickel chromium |
| US6083330A (en) * | 1998-09-16 | 2000-07-04 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy | Process for forming a coating on a substrate using a stepped heat treatment |
| US6254997B1 (en) | 1998-12-16 | 2001-07-03 | General Electric Company | Article with metallic surface layer for heat transfer augmentation and method for making |
| US20040124231A1 (en) * | 1999-06-29 | 2004-07-01 | Hasz Wayne Charles | Method for coating a substrate |
| US6451454B1 (en) * | 1999-06-29 | 2002-09-17 | General Electric Company | Turbine engine component having wear coating and method for coating a turbine engine component |
| DE10036264B4 (de) | 2000-07-26 | 2004-09-16 | Daimlerchrysler Ag | Verfahren zur Herstellung einer Oberflächenschicht |
| CN1526052A (zh) * | 2001-05-10 | 2004-09-01 | ͬ�Ϳ�ҵ��ʽ���� | 经过表面改性的vgs型涡轮增压器的排气引导器组件及其构成部件的表面改性方法 |
| AU2004242142A1 (en) * | 2003-05-20 | 2004-12-02 | Exxonmobil Research And Engineering Company | Erosion-corrosion resistant carbide cermets for long term high temperature service |
| US7438741B1 (en) | 2003-05-20 | 2008-10-21 | Exxonmobil Research And Engineering Company | Erosion-corrosion resistant carbide cermets for long term high temperature service |
| US7186092B2 (en) * | 2004-07-26 | 2007-03-06 | General Electric Company | Airfoil having improved impact and erosion resistance and method for preparing same |
| US8530050B2 (en) * | 2007-05-22 | 2013-09-10 | United Technologies Corporation | Wear resistant coating |
| US9249887B2 (en) | 2010-08-03 | 2016-02-02 | Dresser-Rand Company | Low deflection bi-metal rotor seals |
| CN110195167B (zh) * | 2019-04-28 | 2020-08-18 | 中南大学 | 一种镍合金骨架增强金属基复合材料及其制备方法 |
Family Cites Families (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB886560A (en) * | 1958-05-28 | 1962-01-10 | Union Carbide Corp | Improvements in and relating to coating alloys and the coating of materials |
| US3729345A (en) * | 1967-06-11 | 1973-04-24 | Mitsubishi Heavy Ind Ltd | Method for making propellers of high-strength and high-toughness cast steel |
| DE2842848C2 (de) * | 1977-10-17 | 1987-02-26 | United Technologies Corp., Hartford, Conn. | Werkstoff zum Überziehen von Gegenständen |
| DE2816520C2 (de) * | 1978-04-17 | 1984-04-12 | Brown, Boveri & Cie Ag, 6800 Mannheim | Verwendung eines Hartmetalls |
| GB2063305B (en) * | 1979-10-15 | 1984-02-01 | United Technologies Corp | Carbon bearing mcraiy coatings coated articles and method for these coatings |
| US4284658A (en) * | 1979-11-23 | 1981-08-18 | General Motors Corporation | Regenerator seal |
| GB2214523B (en) * | 1985-09-17 | 1990-04-04 | Electric Power Res Inst | Chromium carbide compositions |
| US4666733A (en) * | 1985-09-17 | 1987-05-19 | Electric Power Research Institute | Method of heat treating of wear resistant coatings and compositions useful therefor |
| US4884820A (en) * | 1987-05-19 | 1989-12-05 | Union Carbide Corporation | Wear resistant, abrasive laser-engraved ceramic or metallic carbide surfaces for rotary labyrinth seal members |
-
1990
- 1990-10-18 US US07/599,482 patent/US5137422A/en not_active Expired - Lifetime
-
1991
- 1991-10-17 CA CA002053646A patent/CA2053646C/en not_active Expired - Fee Related
- 1991-10-17 JP JP3296572A patent/JPH07826B2/ja not_active Expired - Fee Related
- 1991-10-17 AU AU85923/91A patent/AU643837B2/en not_active Ceased
- 1991-10-17 KR KR1019910018242A patent/KR950008379B1/ko not_active Expired - Fee Related
- 1991-10-17 EP EP91309615A patent/EP0482831B1/de not_active Expired - Lifetime
- 1991-10-17 DE DE69116303T patent/DE69116303T2/de not_active Expired - Fee Related
- 1991-10-17 SG SG1996005360A patent/SG47919A1/en unknown
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CA2053646A1 (en) | 1992-04-19 |
| AU643837B2 (en) | 1993-11-25 |
| EP0482831B1 (de) | 1996-01-10 |
| DE69116303D1 (de) | 1996-02-22 |
| KR920008208A (ko) | 1992-05-27 |
| CA2053646C (en) | 1999-01-12 |
| KR950008379B1 (ko) | 1995-07-28 |
| AU8592391A (en) | 1992-04-30 |
| JPH04263058A (ja) | 1992-09-18 |
| SG47919A1 (en) | 1998-04-17 |
| US5137422A (en) | 1992-08-11 |
| EP0482831A1 (de) | 1992-04-29 |
| JPH07826B2 (ja) | 1995-01-11 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| DE69116303T2 (de) | Herstellung von Chromiumkarbid-Nickel-Beschichtungen | |
| DE69508658T2 (de) | Verfahren zur Herstellung von Karbidteilchen feinverteilt in einem Überzug auf Basis von M Cr Al Y | |
| DE69514156T2 (de) | Verfahren zur Herstellung eines Überzuges auf der Basis von MCrAlY mit feinverteilten Oxiden | |
| DE3104581C2 (de) | Mit einer Deckschicht versehener Gegenstand aus einer Superlegierung und Verfahren zu seiner Herstellung | |
| DE69325558T2 (de) | Mehrschichtiger aluminid-silicid-überzug | |
| DE69401260T2 (de) | Beschichtungszusammensetzung mit gutem Korrosions- und Oxydationsschutz | |
| DE68921194T2 (de) | Verfahren zum Beschichten von Superlegierungen mit yttriumangereicherten Aluminiden. | |
| DE69828732T2 (de) | Verfahren zum Auftragen einer Haftbeschichtung für eine Wärmedämmschicht | |
| DE2657288C2 (de) | Überzogener Superlegierungsgegenstand und seine Verwendung | |
| DE3229293C2 (de) | ||
| DE69917834T2 (de) | Pulver aus Chromkarbid und Nickel-Chrom | |
| DE2801016A1 (de) | Gegenstand aus einer superlegierung, der durch flammspritzen mit einem oxidations- und korrosionsbestaendigen ueberzug versehen ist sowie verfahren zu dessen herstellung | |
| DE3889516T2 (de) | Brennstoff-Oxidationsmittelmischung für die Detonationskanonen-Flammbeschichtung. | |
| DE3030961A1 (de) | Bauteile aus superlegierungen mit einem oxidations- und/oder sulfidationsbestaendigigen ueberzug sowie zusammensetzung eines solchen ueberzuges. | |
| DE68921082T2 (de) | Artikel mit Wolframcarbid-Kobalt-Überzügen. | |
| DE3010608A1 (de) | Ueberzugszusammensetzung fuer nickel, kobalt und eisen enthaltende superlegierung und superlegierungskomponente | |
| DE2356617B2 (de) | Verfahren zum aufbringen eines gegenueber hohen temperaturen und abrieb bestaendigen ueberzugs auf metallgegenstaenden | |
| DE2758618B2 (de) | Mittel zur Herstellung einestem>*"tuA*»ai"lieel>· abriebfesten Überzugs | |
| DE3110358C2 (de) | Pulverförmiges Überzugsmittel und Verfahren zum Aufbringen von Oberflächenüberzügen | |
| DE60016095T2 (de) | Verfahren zur Überwachung der Dicke und des Aluminiumgehalts von Aluminid-Diffusionsbeschichtungen | |
| DE69204120T2 (de) | Mit Chromkarbid aushärtbare Legierung auf Nickelbasis beschichtetes rotierendes Dichtungselement. | |
| CH667469A5 (de) | Verfahren zum aufbringen von schutzschichten. | |
| CH670835A5 (de) | ||
| US4925626A (en) | Method for producing a Wc-Co-Cr alloy suitable for use as a hard non-corrosive coating | |
| DE2208070A1 (de) | Plasma-flammgespritzte titancarbidwerkzeugstahl-ueberzuege auf metallsubstraten, die so gebildeten verbundwerkstoffe und verfahren zu deren herstellung |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| 8364 | No opposition during term of opposition | ||
| 8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |