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Patents

  1. Advanced Patent Search
Publication numberDE60217163 T2
Publication typeGrant
Application numberDE2002617163
PCT numberPCT/IB2002/003592
Publication dateOct 4, 2007
Filing dateSep 6, 2002
Priority dateSep 22, 2001
Also published asDE60217163D1, EP1295970A1, EP1444388A1, EP1444388B1, US7094475, US20040234808, WO2003027361A1
Publication number02617163, 2002617163, DE 60217163 T2, DE 60217163T2, DE-T2-60217163, DE02617163, DE2002617163, DE60217163 T2, DE60217163T2, PCT/2002/3592, PCT/IB/2/003592, PCT/IB/2/03592, PCT/IB/2002/003592, PCT/IB/2002/03592, PCT/IB2/003592, PCT/IB2/03592, PCT/IB2002/003592, PCT/IB2002/03592, PCT/IB2002003592, PCT/IB200203592, PCT/IB2003592, PCT/IB203592
InventorsCyrille Bezencon, Matthias Hoebel, S. Abdus KHAN, Maxim Konter, Wilfried Kurz, Alexander Schnell
ApplicantAlstom Technology Ltd.
Export CitationBiBTeX, EndNote, RefMan
External Links: DPMA, Espacenet
Beschichtung aus mcraly Coating of MCrAlY translated from German
DE 60217163 T2
Abstract  available in
Claims(10)  translated from German
  1. Gegenstand ( Subject ( 4 4 ) mit einer Oberfläche ( ) Having a surface ( 5 5 ) und einer Einkristallstruktur, wobei der Gegenstand ( ) And a single crystal structure, wherein the article ( 4 4 ) mit einer MCrAlY-Schutzbeschichtung ( ) With a MCrAlY protective coating ( 6 6 ) beschichtet ist, welches MCrAlY epitaxial auf der Oberfläche ( ) Is coated, which MCrAlY is epitaxially on the surface ( 5 5 ) des Gegenstands ( ) Of the article ( 4 4 ) gezüchtet worden ist, wobei das MCrAlY eine γ/γ'-Struktur aufweist und wobei das MCrAlY weniger als 1,2 Gew.-% Si umfasst, wobei die MCrAlY-Beschichtung ( ) Has been bred, wherein the MCrAlY has a γ / γ'-structure, and wherein the MCrAlY wt .-% Si comprises less than 1.2, the MCrAlY coating ( 6 6 ) ein Verfestigungstemperaturintervall (ΔT 0 ) von weniger als 30°C aufweist und wobei die MCrAlY-Beschichtung ( ) Has a solidification temperature interval (DT 0) of less than 30 ° C and wherein the MCrAlY-coating ( 6 6 ) ein Temperaturintervall (ΔT 1 ) der letzen 5 % Flüssigkeit von weniger als 15°C aufweist. ) Has a temperature interval (DT 1) of the last 5% liquid of less than 15 ° C.
  2. Gegenstand ( Subject ( 4 4 ) nach Anspruch 1, wobei die Zusammensetzung der MCrAlY-Beschichtung ( ) According to claim 1, wherein the composition of the MCrAIY-coating ( 6 6 ) in der Nähe der eutektischen Linie auf der γ-Phasenseite der eutektischen Linie des ternären Phasendiagramms Ni – Al – Cr liegt. ) Close to the eutectic line on the γ-phase side of the eutectic line of the ternary phase diagram Ni - Cr is - Al.
  3. Gegenstand ( Subject ( 4 4 ) nach Anspruch 1, wobei die MCrAlY-Beschichtung ( ) According to claim 1, wherein the MCrAlY-coating ( 6 6 ) folgende Zusammensetzung (in Gew.-%) umfasst: 18–26,0 % Cr, 5–8,0 % Al, 0,1 – weniger als 1,2 % Si, 0,4–1,2 % Y, 0–0,1 % Hf, 0,1–1,2 % Ta, wobei der Rest Ni und unvermeidliche Verunreinigungen ist, wobei Σ (Al + Si) < 10 %, Σ(Si + Ta) < 2,5 %, Σ (Y + Hf + Zr + La) < 1,5 %, C max. ) The following composition (in wt .-%) comprises: 18 to 26.0% of Cr, 5 to 8.0% Al, 0.1 - less than 1.2% of Si, 0.4-1.2% Y, 0-0.1% Hf, 0.1-1.2% Ta, with the remainder being Ni and unavoidable impurities, wherein Σ (Al + Si) <10%, Σ (Si + Ta) <2.5%, Σ (Y + Zr + Hf + La) <1.5% C max. 0,03 %. 0.03%.
  4. Gegenstand ( Subject ( 4 4 ) nach Anspruch 1, wobei die MCrAlY-Beschichtung ( ) According to claim 1, wherein the MCrAlY-coating ( 6 6 ) (in Gew.-%) Si von bis zu 0,5 %, Hf von bis zu 0,5 %, Y < 0,5 % und Ta < 3 %, einzeln oder als Kombination derselben, umfasst. ) (In wt .-%) Si up to 0.5%, Hf up to 0.5%, Y <0.5% and Ta <3% individually or as a combination thereof, comprises.
  5. Gegenstand ( Subject ( 4 4 ) nach Anspruch 1, wobei die MCrAlY-Beschichtung ( ) According to claim 1, wherein the MCrAlY-coating ( 6 6 ) folgende chemische Zusammensetzung (Gew.-%) aufweist: 25 Cr, 6 Al, 0,4 Y, Rest Ni und unvermeidliche Verunreinigungen. ) Following chemical composition (wt .-%) comprises: 25 Cr, 6 Al, 0.4 Y, balance Ni and unavoidable impurities.
  6. Gegenstand ( Subject ( 4 4 ) nach Anspruch 1, wobei die MCrAlY-Beschichtung ( ) According to claim 1, wherein the MCrAlY-coating ( 6 6 ) folgende chemische Zusammensetzung (Gew.-%) aufweist: 16,5 Cr, 5,5 Al, 0,4 Y, Rest Ni und unvermeidliche Verunreinigungen. ) Following chemical composition (wt .-%) having 16.5 Cr, 5.5 Al, 0.4 Y, balance Ni and unavoidable impurities.
  7. Gegenstand ( Subject ( 4 4 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Beschichtung ( ) According to one of claims 1 to 6, wherein the coating ( 6 6 ) einen Zusatz von Fe, Ga, Mg, Ca einzeln oder eine Kombination derselben umfasst. ) Single addition of Fe, Ga, Mg, Ca, or a combination thereof.
  8. Gegenstand ( Subject ( 4 4 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Beschichtung ( ) According to one of claims 1 to 7, wherein the coating ( 6 6 ) eine Dicke von 100–300 μm aufweist. ) Has a thickness of 100-300 microns.
  9. Gegenstand ( Subject ( 4 4 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die MCrAlY-Beschichtung ( ) According to one of claims 1 to 8, wherein the MCrAlY-coating ( 6 6 ) durch Laserplattierung aufgebracht wird. ) Is applied by laser cladding.
  10. Gegenstand ( Subject ( 4 4 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei es sich um ein aus Nickel-Basen-Superlegierung hergestelltes Gasturbinenbauteil handelt. ) According to one of claims 1 to 9, wherein it is made of a nickel-base superalloy gas turbine component.
Description  translated from German
  • GEBIET DER ERFINDUNG FIELD OF THE INVENTION
  • [0001] [0001]
    Die Erfindung betrifft eine MCrAlY-Beschichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. The invention relates to a MCrAIY-coating according to the preamble of claim 1.
  • STAND DER TECHNIK STATE OF THE ART
  • [0002] [0002]
    Bauteile, die zur Verwendung im Hochtemperaturbereich konstruiert sind, zB Leit- oder Laufschaufeln einer Gasturbine, werden gewöhnlich mit widerstandsfähigen Beschichtungen beschichtet. Other components which are designed for use in high temperature applications, such as guide vanes or rotor blades of a gas turbine, are usually coated with resistant coatings. Die Beschichtung schützt das Grundmaterial gegen durch die Wärmewirkung der heißen Umgebung hervorgerufene Korrosion und Oxidation und besteht aus einer Legierung, bei der hauptsächlich die Elemente Al und Cr verwendet werden. The coating protects the base material against caused by the thermal effect of the hot environment corrosion and oxidation and is composed of an alloy mainly the elements Al and Cr are used in the. Die meisten Turbinenteile werden zum Schutz gegen Oxidation und/oder Korrosion beispielsweise mit einer MCrAlY-Beschichtung (Grundschicht) beschichtet und einige werden auch mit einer Wärmesperrbeschichtung (WSB) zur Wärmeisolierung beschichtet. Most turbine components are coated for protection against oxidation and / or corrosion with, for example, a MCrAlY coating (base coat) and some are also with a thermal barrier coating (WSB) coated for thermal insulation. MCrAlY-Schutzdeckbeschichtungen sind im Stand der Technik allgemein bekannt. MCrAlY protective overlay coatings are widely known in the art. Sie sind eine Familie von Hochtemperaturbeschichtungen, wobei M von einem, oder einer Kombination, von Eisen, Nickel und Kobalt ausgewählt wird. They are a family of high temperature coatings, where M is of one, or a combination of iron, nickel and cobalt is selected. Beispielsweise offenbaren die US-A-3,528,861 oder US-A-4,585,481 derartige oxidationswiderstandsfähige Beschichtungen. For example, U.S.-A-3,528,861 or US-A-4,585,481 such kind of oxidation resistant coatings. Die US-A-4,152,223 offenbart ebenfalls ein derartiges Beschichtungsverfahren und die Beschichtung selbst. Neben der γ/β-MCrAlY-Beschichtung gibt es noch eine andere Klasse von MCrAlY-Deckbeschichtungen, die auf einer γ/γ'-gamma/gamma-Grundierstruktur basieren. US-A-4,152,223 also discloses such a coating process and the coating itself. In addition to the γ / β-MCrAlY coating, there is another class of MCrAlY overlay coatings, which are based on a γ / γ'-gamma / gamma-Grundierstruktur , Die Vorteile von γ/γ'-Beschichtungen bestehen darin, dass sie eine vernachlässigbar geringe Wärmeausdehnungsfehlanpassung mit der Legierung des darunter liegenden Turbinengegenstands aufweisen. The advantages of γ / γ'-coatings are that they have a negligible thermal expansion mismatch with alloy of the underlying turbine article. Für eine höhere Wärmeermüdungsresistenz ist die γ/γ'-Beschichtung geeigneter im Vergleich mit MCrAlY-Beschichtungen vom γ/β-Typ. For higher thermal fatigue resistance is the γ / γ'-coating suitable in comparison with MCrAlY coatings from γ / β-type.
  • [0003] [0003]
    Eine höhere Wärmeermüdungsresistenz ist bei Beschichtungen höchst wünschenswert, da das Versagen der meisten Turbinenlauf und -leitschaufeln bei erhöhter Temperatur typischerweise durch Wärmeermüdung verursacht wird. A higher thermal fatigue resistance in coatings is most desirable since failure of the most turbine blades and vanes is typically caused by thermal fatigue at elevated temperature.
  • [0004] [0004]
    Unter den γ/γ'-Beschichtungen und γ/β-Beschichtungen ist das Gebiet der γ/β-Beschichtungen ein Bereich aktiver Forschung gewesen und es sind eine Reihe von Patenten herausgegeben worden. Been the γ / γ'-coatings and γ / β-coatings, the field of γ / β-coatings have been an active area of research and there are a number of patents issued. Beispielsweise wird eine Ni-CrAlY-Beschichtung in der US-A-3,754,903 und eine CoCrAlY-Beschichtung in der US-A-3,676,058 beschrieben. For example, a Ni-CrAlY coating in US-A-3,754,903 and a CoCrAlY coating in US-A-3,676,058 will be described. Die US-A-4,346,137 offenbart eine verbesserte gegen Hochtemperaturermüdung widerstandsfähige NiCoCrAlY-Beschichtung. US-A-4,346,137 discloses an improved resistant to high temperature fatigue NiCoCrAlY coating. Die US-A-4,419,416, US-A-4,585,481, RE-32,121 und US-AA-4,743,514 beschreiben MCrAlY-Beschichtungen, die Si und Hf enthalten. The US-A-4,419,416, US-A-4,585,481, RE-32.121 and US-AA-4,743,514 describe MCrAlY coatings containing Si and Hf. Die US-A-4,313,760 offenbart eine Beschichtungszusammensetzung aus Superlegierung mit einer guten Oxidations-, Korrosions- und Ermüdungsresistenz. US-A-4,313,760 discloses a coating composition superalloy with good oxidation, corrosion and fatigue resistance.
  • [0005] [0005]
    Im Gegensatz zu den γ/β-Beschichtungen sind MCrAlY-Beschichtungen vom γ/γ'-Typ, die aus der US-A-4,973,445 bekannt sind, relativ neu. In contrast to the γ / β-MCrAlY coatings are coatings of γ / γ'-type, which are known from US-A-4,973,445, relatively new. Das außergewöhnliche Merkmal dieses Typs von γ/γ'-Beschichtungen besteht darin, dass ihre Wärmeausdehnungsfehlanpassung in der Nähe von null liegt, und zwar in Verbindung mit einer hohen Verformbarkeit, was diese Beschichtungen gegen Wärmeermüdung widerstandsfähiger macht. The unusual feature of this type of γ / γ'-coatings is that their thermal expansion mismatch is close to zero, in combination with a high ductility, what make these coatings more resistant to thermal fatigue. Jedoch stellen der geringe Aluminiumgehalt und daher das geringe Reservoir an Aluminium Einschränkungen dar. However, the low aluminum content and therefore the low reservoir set of aluminum are limitations.
  • [0006] [0006]
    Des Weiteren offenbart die US-A-4,758,480 eine Klasse von Beschichtungen, deren Zusammensetzung auf der Zusammensetzung des darunter liegenden Substrats basiert. Furthermore, the US-A-4,758,480 discloses a class of coatings whose composition is based on the composition of the underlying substrate. Durch die Ähnlichkeit der Phasenstruktur und der chemischen Zusammensetzung sind die mechanischen Eigenschaften der Beschichtung denjenigen des Substrats ähnlich, wodurch die thermomechanisch reduzierte Be schädigung während des Betriebs reduziert wird. Due to the similarity of the phase structure and the chemical composition, the mechanical properties of the coating are similar to those of the substrate, whereby the thermo-mechanically reduced Be is reduced damage during operation. Jedoch führt, wenn diese Beschichtung durch herkömmliche Mittel auf dem Einkristallsubstrat aufgebracht wird, der Unterschied im E-Modul zwischen der <010> orientierten Oberflächenschicht des Substrats und willkürlich orientierten Beschichtungskörnern zu starkem thermomechanischem Schaden. However, leads, if this coating is applied by conventional means on the single crystal substrate, the difference in modulus between <010> oriented surface layer of the substrate and randomly oriented coating grains to severe thermomechanical damage.
  • [0007] [0007]
    Die US-A-5,232,789 offenbart eine weitere Verbesserung der thermomechanischen Eigenschaften des Beschichtungs-Substratsystems. US-A-5,232,789 discloses a further improvement of the thermomechanical properties of the coating substrate system. Die Beschichtung, deren Zusammensetzung und Phasenstruktur denjenigen der Substratlegierung ähnlich sind, weist eine mindestens 1000 mal feinkörnigere Struktur auf, die durch eine Spezialtechnologie erzeugt wird. The coating whose composition and phase structure similar to that of the substrate alloy, has at least a 1000 times more fine-grained structure, produced by a special technology. Der unterste Grenzflächenteil der feinkörnigen Beschichtung wächst epitaxial und hat daher die gleiche Kristallorientierung wie das Substrat. The lower boundary of the fine-grained coating grows epitaxially and therefore has the same crystal orientation as the substrate. Das epitaxiale Wachstum löst auch das Problem der Zwischenflächenhaftung zwischen Beschichtung/Substrat. Epitaxial growth solves also the problem of the interfacial adhesion between the coating / substrate.
  • [0008] [0008]
    Jedoch besteht bei dem System eines Einkristallsubstrats und der Mehrkristallbeschichtung ein großer Unterschied bezüglich des mechanischen Verhaltens zwischen dem Substrat und der Beschichtung, da eine jegliche äquiaxiale Struktur einen Elastizitätsmodul besitzt, der viel höher ist als diejenigen bei einem Einkristallmaterial in <001> Richtung. However, in the system of a single crystal substrate and the polycrystalline coating, there is a large difference in the mechanical behavior between the substrate and the coating, since any equiaxed structure possesses a modulus of elasticity which is much higher than those obtained for a single crystal material in <001> direction. Ein höherer Elastizitätsmodul spiegelt sich in einer niedrigeren thermomechanischen Standzeit der Beschichtung im Vergleich mit dem Substrat wider (obwohl die Beanspruchungen auf der Substrat-Beschichtungsgrenzfläche im Vergleich mit herkömmlichen Beschichtungs-Substratsystemen signifikant reduziert ist). A higher modulus of elasticity is reflected in a lower thermo-mechanical service life of the coating compared to the substrate resist (although the stresses on substrate-coating interface compared with conventional coating-substrate systems is significantly reduced). Mehrfache Korngrenzen reduzieren die Kriechfestigkeit der feinkörnigen Beschichtung, die schließlich die Standzeit des gesamten Flügelsystems bestimmt, drastisch. Multiple grain boundaries reduce the creep resistance of the fine-grained coating, which finally determines the lifetime of the entire wing system drastically.
  • [0009] [0009]
    Aus diesem Grund ist in der US-A-6,024,792 allgemein ein Verfahren zum Herstellen monokristalliner Strukturen auf Substraten mit monokristallinen Strukturen durch Anwendung eines Energiestrahls hoher Energie aus einer Energiequelle offenbart. For this reason, a method for producing monocrystalline structures on substrates with monocrystalline structures by using a high energy beam energy is disclosed in US-A-6,024,792 disclosed generally from an energy source. Das Material, das in. die monokristalline Struktur eingeführt werden soll, wird an die geschmolzene Region des Substrats herangeliefert. The material which is to be inserted in. The monocrystalline structure is supplied to the zoom molten region of the substrate. Das angelieferte Material ist vollständig geschmolzen. The delivered material is completely melted. Ein ähnliches Verfahren ist aus EP-A1-740,977 bekannt. A similar method is known from EP-A1-740,977.
  • [0010] [0010]
    Noch spezifischer offenbart EP-A1-1 001 055 eine MCrAlY-Beschichtung und ein Verfahren zum Absetzen der Beschichtung, wobei die Beschichtung auf dem Grundmaterial epitaxial ist und die Beschichtung mit einer Einkristallstruktur gezüchtet wird. More specifically, EP-A1-1 001 055 an MCrAlY coating and a method for depositing the coating, wherein the coating on the base material and the coating is epitaxially grown with a single crystal structure. Die Beschichtung wird durch Laserplattierung aufgebracht. The coating is applied by laser cladding. Es hat sich in der Tat erwiesen, dass es schwierig war, eine defektfreie epitaxiale Beschichtung mit dem oben erwähnten γ/γ'-bildenden Beschichtungsmaterial innerhalb dieses Dokuments zu züchten. It has been found, in fact, that it was difficult to grow a defect-free epitaxial coating with the above-mentioned γ / γ'-forming coating material within this document. Bei Verwendung anderer im Handel erhältlicher, äußerst oxidationsbeständiger Legierungen für den Laserplattierungsvorgang kann die Einkristallmikrostruktur nicht beibehalten werden. When using other commercially available, highly oxidation resistant alloys for the laser cladding process, the single crystal microstructure can not be maintained. Es finden Heißrissbildungen und das Versagen der Einkristallverfestigung in der plattierten Struktur statt, was zur Bildung unerwünschter äquiaxial Körner führt. It will take place hot cracking and failure of single crystal solidification in the plated structure, resulting in the formation of undesirable equiaxed grains.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG SUMMARY OF THE INVENTION
  • [0011] [0011]
    Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine γ/γ'-MCrAlY-Beschichtung zu finden und die Parameter des Aufbringens einer defektfreien epitaxialen Beschichtung auf einem Einkristallgegenstand im Einzelnen zu bestimmen. It is the object of the present invention to find a γ / γ'-MCrAIY-coating and to determine the parameters of applying a defect free epitaxial coating on a Einkristallgegenstand in detail. Die epitaxial Beschichtung wird auf dem Einkristallsubstrat gezüchtet, was bedeutet, dass sie die gleiche kristallografische Orientierung wie das Substrat aufweist. The epitaxial coating is grown on the single crystal substrate, which means that it has the same crystallographic orientation as the substrate.
  • [0012] [0012]
    Die Erfindung betrifft ein Produkt, wie in Anspruch 1 aufgeführt. The invention relates to a product as recited in claim 1. Erfindungsgemäß wurde eine MCrAlY-Bindungsbeschichtung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 gefunden, wobei das MCrAlY eine γ/γ'-Phase aufweist und wobei das MCrAlY weniger als 1,2 Gew.-% Si umfasst. According to the invention a bond MCrAlY-coating was found according to the preamble of claim 1, wherein the MCrAlY has a γ / γ'-phase and wherein the MCrAIY wt .-% Si comprises less than 1.2.
  • [0013] [0013]
    Eine andere Bedingung für eine vorteilhafte Ausführungsform der epitaxialen Verfestigung der Beschichtung besteht darin, dass das Verfestigungstemperaturintervall ΔT 0 der MCrAlY-Beschichtung geringer als 30°C ist. Another condition for advantageous embodiment the epitaxial solidification of the coating is that the solidification temperature interval At 0 the MCrAlY-coating is less than 30 ° C.
  • [0014] [0014]
    Um eine rissfreie Beschichtung zu erhalten, müssen die letzten 5 % der MCrAlY-Beschichtungsflüssigkeit sich in einem Temperaturintervall ΔT 1 von weniger als 15°C verfestigen. To obtain a crack-free coating, have the last 5% of the MCrAlY coating liquid to solidify in a temperature interval .DELTA.T 1 of less than 15 ° C.
  • [0015] [0015]
    Beide Faktoren, ein geringes Verfestigungsintervall und die letzten 5 % der Flüssigkeit, bestimmen hier die Breite der breiigen Zone; Both factors, low solidification interval and the last 5% of the liquid, this parameter determines the width of the mushy zone; je schmäler die breiige Zone, desto geringer ist die Anfälligkeit zur Heißrissbildung während des Beschichtungsvorgangs. the narrower the mushy zone, the lower the susceptibility to hot cracking during the coating process.
  • [0016] [0016]
    Um ein kleines Verfestigungsintervall ΔT 0 zu erhalten, sollte die Zusammensetzung der MCrAlY-Beschichtung gut ausgeglichen, um eine starke Trennung zu vermeiden und ein niedrigschmelzender interdentritischer Bestandteil oder so nahe wie möglich der eutektischen Linie auf der γ-Phasenseite der eutektischen Linie des ternären Phasendiagramms Ni – Al – Cr sein. In order to obtain a small solidification interval .DELTA.T 0, the composition of the MCrAlY coating should be well balanced to avoid a strong separation and a low melting interdentritischer part or as close as possible to the eutectic line on the γ-phase side of the eutectic line of the ternary phase diagram Ni - Al - Cr be.
  • [0017] [0017]
    Beispielsweise weist die MCrAlY-Beschichtung folgende Zusammensetzung auf (in Gew.-%): 18–26,0 % Cr, 5–8,0 % Al, 0,1–1,2 % Si, 0,4–1,2 % Y, 0–0,1 % Hf und 0,1–1,2 % Ta, wobei der Rest Ni und unvermeidliche Verunreinigungen ist, wobei Σ (Al + Si) < 10 %, Σ (Si + Ta) < 2,5 %, Σ (Y + Hf + Zr + La) < 1,5 %, C max. For example, the MCrAIY-coating the following composition (in wt .-%): 18 to 26.0% of Cr, 5 to 8.0% of Al, 0.1-1.2% Si, 0.4-1.2 % Y, 0-0.1% Hf and 0.1-1.2% Ta, with the remainder being Ni and unavoidable impurities, wherein Σ (Al + Si) <10%, Σ (Si + Ta) <2, 5%, Σ (Y + Zr + Hf + La) <1.5% C max. 0,03 %. 0.03%.
  • [0018] [0018]
    Um ein geringes Verfestigungsintervall zu erhalten, umfasst die Beschichtung vorteilhafterweise einen Zusatz von Si von bis zu 0,5 Gew.-%, von Hf von bis zu 0,5 Gew.-%, von Y von weniger als 0,5 Gew.-%, von Ta von weniger als 3 Gew.-%. To obtain a small solidification interval, the coating advantageously comprises an addition of Si up to 0.5 wt .-%, Hf up to 0.5 wt .-%, Y below 0.5 wt %, Ta below 3 wt .-%.
  • [0019] [0019]
    Um die Widerstandsfähigkeit gegen Oxidation zu erhöhen, kann die Beschichtung Fe, Ga, Mg, Ca einzeln oder eine Kombination derselben enthalten. To increase the resistance to oxidation, the coating Fe, Ga, Mg, Ca individually or a combination thereof may contain.
  • [0020] [0020]
    Bei einer vorteilhaften Ausführungsform wird die MCrAlY-Beschichtung durch Laserplattierung in einer Dicke von 100 bis 300 μm aufgebracht und der Gegenstand ist ein Gasturbinenteil, der aus einer Nickel-Basis-Superlegierung hergestellt ist. In an advantageous embodiment, the MCrAIY-coating is applied by laser cladding with a thickness of 100 to 300 microns and the article is a gas turbine part which is made of a nickel-base superalloy.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
  • [0021] [0021]
    Diese Erfindung wird durch die beiliegende Zeichnung veranschaulicht, wobei This invention is illustrated by the accompanying drawing, wherein
  • [0022] [0022]
    1 1 eine schematische Darstellung eines Laserplattierungsvorgangs zeigt, a schematic representation of a Laserplattierungsvorgangs shows
  • [0023] [0023]
    2 2 ein Beispiel einer erfindungsgemäßen epitaxialen und rissfreien γ/γ'-MCrAlY-Beschichtung zeigt und an example of an epitaxial and crack-free γ / γ'-MCrAlY-coating according to the invention and shows
  • [0024] [0024]
    3 3 ein Beispiel einer gerissenen γ/γ'-MCrAlY-Beschichtung zeigt. an example of a cracked γ / γ'-MCrAlY coating shows.
  • [0025] [0025]
    Die Zeichnungen zeigen nur Teile, die für die Erfindung wichtig sind. The drawings show only parts important for the invention.
  • GENAUE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
  • [0026] [0026]
    Diese Anmeldung betrifft ein Verfahren zum epitaxialen Züchten einer MCrAlY-Beschichtung This application relates to a method of epitaxially growing a MCrAlY-coating 6 6 , die eine γ/γ'-Mikrostruktur aufweist, auf einer Oberfläche Having a γ / γ'-microstructure on a surface 5 5 eines Gegenstands an article 4 4 wie Leit- oder laufschaufeln von Gasturbinen oder irgendeinem anderen Teil, das einer Heißtemperaturumgebung ausgesetzt ist. such as guide vanes or rotor blades of gas turbines or any other part which is exposed to a hot temperature environment. Der Gegenstand The object 4 4 hat eine Einkristall-(SX-) Struktur und kann beispielsweise aus einer Nickel-Basis-Superlegierung hergestellt sein. has a single crystal (SX) structure and can for example be made of a nickel-base superalloy. Nickel-Basis-Superlegierungen sind im Stand der Technik, zB aus dem Dokument Nickel-base superalloys are known in the art, eg from the document US 5,888,451 US 5,888,451 , . US 5,759,301 US 5,759,301 oder aus or from US 4,643,782 US 4,643,782 bekannt, die als „CMSX-4" bekannt ist. is known which is known as "CMSX-4". 1 1 zeigt allgemein einen Laserplattierungsvorgang, der durch Auftreffenlassen von Teilchen des MCrAlY-Beschichtungsmaterials durch einen Pulverstrahl generally shows a laser cladding process, by impingement of particles of the MCrAlY coating material a powder blasting 1 1 auf einen geschmolzenen Pool to a molten pool 2 2 gekennzeichnet ist, der durch das kontrollierte Lasererhitzen durch Abtasten mit dem Laserstrahl is characterized by the controlled laser heating by scanning the laser beam 3 3 nacheinander der Oberfläche successively the surface 5 5 des Einkristallgegenstands the single crystal article 4 4 gebildet wird. is formed. Der Pfeil The arrow 7 7 zeigt die Bewegungsrichtung über den Gegenstand shows the direction of movement over the article 4 4 . ,
  • [0027] [0027]
    Die Laserplattierungstechnologie ist zum Aufbringen einer epitaxialen γ/γ'-MCrAlY-Beschichtung The Laserplattierungstechnologie is for applying an epitaxial γ / γ'-MCrAlY coating 6 6 in einer Dicke von 100–300 μm auf einen Gegenstand in a thickness of 100-300 microns on an object 4 4 aus Einkristallsuperlegierung verwendet worden. been used in single crystal superalloy. Die Beschichtung The coating 6 6 wird epitaxial auf dem Gegenstand is epitaxially grown on the article 4 4 gezüchtet, was bedeutet, dass sie die gleiche Kristallorientierung wie der Gegenstand bred, which means that they have the same crystal orientation as the object 4 4 aufweist. has.
  • [0028] [0028]
    Es hat sich erwiesen, dass folgende Faktoren für das erfolgreiche epitaxiale Wachstum der MCrAlY-Beschichtung It has been found that the following factors for the successful epitaxial growth of the MCrAIY-coating 6 6 kritisch sind. are critical. Das Verfestigungsintervall ΔT 0 der Beschichtung The solidification interval .DELTA.T 0 of the coating 6 6 muss aus zwei Gründen gering sein. must be low for two reasons. Erstens führt ein hohes Verfestigungsintervall im Allgemeinen zu einer hohen Wachstumsunterkühlung. First, a high solidification interval generally leads to a high growth undercooling. Je stärker die Wachstumsunterkühlung, desto höher ist das Risiko einer heterogenen Keimbildung äquiaxialer Körner. The stronger the growth undercooling, the higher the risk of heterogeneous nucleation equiaxed grains. Diese äquiaxialen Körner sind zu vermeiden, da ihre kristallografische Orientierung nicht geregelt ist. This equiaxed grains are to be avoided because their crystallographic orientation is not regulated. Zweitens verlängert ein großes Verfestigungsintervall die Länge der breiigen Zone und erhöht daher die Anfälligkeit für die Heißrissbildung. Second, a large solidification interval extended the length of the mushy zone and therefore increases the susceptibility to hot cracking. Um ein kleines Verfestigungsintervall ΔT 0 der MCrAlY-Beschichtung zu erhalten, umfasst das MCrAlY weniger als 1,2 % Si. 0 To get a small solidification interval .DELTA.T the MCrAlY coating, the MCrAlY comprises less than 1.2% Si. Beispielsweise sollte das Verfestigungsintervall ΔT 0 weniger als 30°C und darunter betragen. For example, the solidification interval .DELTA.T 0 should be less than 30 ° C and below. Das Verfestigungsintervall muss gering sein, um das Wachstum der SX-Mikrostruktur zu ermöglichen und die Heißrissbildung zu verhindern. The solidification interval must be low to enable the growth of SX microstructure and to prevent hot tearing. Je kleiner ΔT 0 , desto größer ist das Prozessfenster für ein rissfreies Einkristallwachstum. The smaller .DELTA.T 0, the greater the process window for a crack-free single crystal growth.
  • [0029] [0029]
    Die MCrAlY-Beschichtung The MCrAlY coating 6 6 besitzt ein beabsichtigtes Verfestigungsintervall ΔT 0 durch Legieren mit einer regulierten Menge gewisser Elemente. has an intended solidification interval .DELTA.T 0 by alloying with a controlled amount of certain elements. Das Verfestigungsintervall ΔT 0 steigt oder fällt mit dem Zusetzen der Elemente wie Si, Hf, Zr, Y, Ta ab. The solidification interval .DELTA.T increases or 0 coincides with the addition of elements such as Si, Hf, Zr, Y, Ta. Des Weiteren führt die Konstruktion der SX-MCrAlY-Beschichtung Furthermore, provision of construction of the SX-MCrAlY coating 6 6 zu einer chemischen Zusammensetzung in der Nähe der eutektischen Linie auf der γ-Phasenseite der eutektischen Linie des Phasendiagramms des Nickel-Chrom-Aluminium-Ternärsystems. to a chemical composition close to the eutectic line on the γ-phase side of the eutectic line of the phase diagram of nickel-chromium-aluminum ternary. Je mehr man sich der eutektischen Linie nähert, desto geringer wird das Verfestigungsintervall ΔT 0 . The more one approaches the eutectic line, the lower the solidification interval .DELTA.T 0th Hier wird ΔT 0 hauptsächlich durch den Al-Gehalt der Beschichtung Here is mainly .DELTA.T 0 by the Al content of the coating 6 6 geregelt. regulated. Die Beschichtung The coating 6 6 kann die Elemente Si, Hf und Zr sowie einen kleinen Zusatz von Ta, Fe, Ga, Mg, Ca einzeln oder als Kombination derselben sowie zur erhöhten Oxidationsfestigkeit enthalten. can the elements Si, Hf and Zr, and a small addition of Ta, Fe, Ga, Mg, Ca individually or as a combination thereof contained and allows increased oxidation resistance.
  • [0030] [0030]
    Eine erfindungsgemäße γ/γ'-MCrRlY-Beschichtung An inventive γ / γ'-MCrRlY coating 6 6 kann den bevorzugten Bereich der folgenden Zusammensetzung aufweisen (Gew.-%): 18–26,0 % Cr, 5–8,0 % Al, 0,1–1,2 % Si, 0,4–1,2 % Y, 0–0,1 % Hf, 0,1–1,2 % Ta, der Rest besteht aus Ni und unvermeidlichen Verunreinigungen mit Σ (Al + Si) < 10 %, Σ (Si + Ta) < 2,5 %, Σ (Y + Hf + Zr + La) < 1,5 %, C max. can the preferred range of the following composition having (wt .-%): 18 to 26.0% Cr, 5-8.0% Al, 0.1-1.2% Si, 0.4-1.2% Y , 0-0.1% Hf, 0.1-1.2% of Ta, the balance consisting of Ni and unavoidable impurities with Σ (Al + Si) <10%, Σ (Si + Ta) <2.5%, Σ (Y + Zr + Hf + La) <1.5% C max. 0,03 %. 0.03%.
  • [0031] [0031]
    Außerdem sollte bei einer vorteilhaften Ausführungsform zum Erhalten eines günstigen geringen Verfestigungsintervalls ΔT 0 die Konzentration der weniger wichtigen Elemente in der Beschichtung bei Si bis zu 0,5 Gew.-%, Hf bis zu 0,5 Gew.-%, Y weniger als 0,5 Gew.-% und Ta weniger als 3 Gew.-% betragen. It should also, in an advantageous embodiment to obtain a favorable low solidification interval .DELTA.T 0, the concentration of minor elements in the coating at Si up to 0.5 wt .-%, Hf up to 0.5 wt .-%, Y below 0 , 5 wt .-% and Ta below 3 wt .-%, respectively.
  • [0032] [0032]
    Die Konzentration der weniger wichtigen Elemente wie Y, Zr und Ta muss auch eingestellt werden, um die Bildung von spröden Ni-(Ta-, Si-) Phasen, die diese Elemente enthalten, zu verhindern. The concentration of the minor elements such as Y, Zr and Ta must also be adjusted to prevent formation of brittle Ni (Ta, Si) phases containing these elements.
  • [0033] [0033]
    Ein anderer wichtiger Faktor ist, dass die letzten 5 % Flüssigkeit sich in einem ΔT 1 -Intervall von weniger als 15°C verfestigen sollten, um die Heißrissbildung zu verhindern. Another important factor is that the last 5% liquid should solidify in a .DELTA.T.sub.1 interval of less than 15 ° C in order to prevent hot cracking. Das ΔT 1 bestimmt hier die Breite der breiigen Zone, je schmäler die breiige Zone, desto geringer ist die Anfälligkeit für die Heißrissbildung während des Beschichtungsvorgangs. The .DELTA.T.sub.1 determined to be the width of the mushy zone, the narrower the mushy zone, the lower the susceptibility to hot cracking during the coating process.
  • [0034] [0034]
    Die Zusammensetzung des MCrAlY sollte so eingestellt werden, dass das Ausfällen von an Cr reichen Sigma- oder irgend anderen unerwünschten Phasen vermieden wird. The composition of the MCrAIY should be adjusted so that the failure is avoided by the Cr-rich sigma or any other undesirable phases. Die spröden Sigmaphasen beeinträchtigen die mechanischen Eigenschaften der Beschichtung. The brittle sigma phases impair the mechanical properties of the coating.
  • [0035] [0035]
    Beispiele der erfindungsgemäßen γ/γ'-MCrAlY-Beschichtung sind in Tabelle 1 (Gew.-%) gezeigt. Examples of the γ / γ'-MCrAIY-coating according to the invention are shown in Table 1 (wt .-%).
  • Tabelle 1 Table 1
  • [0036] [0036]
    Es ist zu beachten, dass das ΔT 0 der Beschichtungen I und II in Tabelle 1 ungefähr 25°C beträgt, während das ΔT 0 von SV20 95°C beträgt. It should be noted that the 0 .DELTA.T of the coatings is about 25 ° C I and II in Table 1, while the .DELTA.T of SV20 is 0 95 ° C. Die Beschichtungen I und II können auf einem Substrat als rissfreies Einzelkristall abgesetzt werden, jedoch nicht SV20. The coatings I and II can be deposited on a substrate as a crack-free single crystal but not SV20. Da das ΔT 0 von SV20 viel höher als 30°C liegt, wird eine interdentritische Rissbildung (Heißrissbildung) während der Verfestigung ausgelöst und wird während des Kühlens durch Wärmebeanspruchungen unterstützt in das Substrat und die Ablagerung hinein weitergeführt. Since the .DELTA.T 0 of SV20 is much higher than 30 ° C, a interdentritische cracking (hot cracking) is triggered during solidification and during cooling aided by thermal stresses in the substrate and the deposition continued inside.
  • [0037] [0037]
    Andererseits werden die Laserparameter, zB Laserstärke, Abtastgeschwindigkeit, Schutzgas optimiert und für die Ablagerung einer SX-MCrAlY-Beschichtung On the other hand, the laser parameters such as laser power, scanning speed, shielding gas and are optimized for the deposition of a SX-MCrAlY coating 6 6 auf ein SX-Basismaterial im Gleichgewicht gehalten. held at a SX base material in equilibrium. Die Legierungskonstruktion der neuen MCrAlY-Beschichtung The alloy design of the new MCrAlY coating 6 6 unterstützt das Beibehalten und das Wachstum der SX-Beschichtung. supporting and maintaining the growth of the SX coating.
  • [0038] [0038]
    Das Beispiel von The example of 2 2 zeigt ein Ergebnis einer durch diese Erfindung gebildeten Beschichtung mit einer vollen SX-Struktur ohne Rissbildung. shows a result of this invention is formed by coating with a fully SX-structure without cracking. Die Bedingungen des beiliegenden Anspruchs sind erfüllt. The terms of the appended claim are met. Die sehr gleichmäßige und parallele Dentritstruktur zeigt die SX-Struktur der Plattierung, was auch mit der Elektronenrückstreuungsdiffraktions-(EBSD-) Kikuchitechnik bewiesen worden ist. The very even and parallel dendrite structure shows the SX structure of the clad, which has been proved with the Elektronenrückstreuungsdiffraktions- (EBSD) Kikuchitechnik.
  • [0039] [0039]
    Im Gegensatz dazu zeigt In contrast, 3 3 ein Beispiel einer gerissenen Probe an der CMSX-4-Grenzfläche. an example of a cracked sample at the CMSX-4 interface. Obwohl mit optimierten Laserparametern plattiert, war das Beschichtungsmaterial sehr schwierig aufzubringen. Although plated with optimized laser parameters, the coating material was very difficult to apply. Außerhalb des Bereichs der Bedingungen der Ansprüche neigt es stark zur Heißrissbildung und zum Versagen der SX-Struktur. Outside the range of conditions of the claims it has a strong tendency to hot cracking and failure of the SX structure.
  • BEZUGSNUMMERN REFERENCE NUMBERS
  • 1 1
    Pulverstrahl Ray powder
    2 2
    geschmolzener Pool molten pool
    3 3
    Laserstrahl Laser beam
    4 4
    Gegenstand Subject
    5 5
    Oberfläche des Gegenstands Surface of the article 4 4
    6 6
    Beschichtung Coating
    7 7
    Bewegungsrichtung Direction of motion
    ΔT 0 .DELTA.T 0
    Verfestigungsintervall der Beschichtung Solidification interval of the coating 6 6
    ΔT 1 .DELTA.T.sub.1
    Verfestigungsintervall der letzten 5 % Flüssigkeit der Beschichtung Solidification interval of the last 5% liquid of coating 6 6
Classifications
International ClassificationF01D5/28, C23C24/10, C23C26/02, C22C19/05, F02C7/00, F01D25/00, C30B29/52, F23R3/42, C30B13/00, C23C30/00
Cooperative ClassificationC23C26/02, C30B13/00, Y10T428/12931, Y10T428/12944, Y10T428/12458, Y10T428/12937, C23C30/00, C23C24/10
European ClassificationC23C26/02, C23C24/10, C23C30/00, C30B13/00