Mechanisches Legieren von MCrAlY Werkstoffen für HVOF-gespritzte Turbinenschaufelbeschichtungen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Metall-Matrix-Verbundwerkstoffe (MMCs) besitzen durch die variable Kombination spezifischer Werkstoffeigenschaften ein erhebliches Potential für viele technische Anwendungen. Die Entwicklung von MMCs stellt aufgrund der komplexen Anforderungsprofile für die unterschiedlichen Applikationen eine besondere Herausforderung dar. Um den Effekt der Dispersionsverstärkung auch bei erhöhten Temperatuuriveaus zu erhalten, sind im Rahmen dieses Projekts oxidische Hartphasen (z.B. ZrO2) als Verstärkung eingesetzt worden. Zur Realisierung dieser neuartigen Strukturierung von Spritzwerkstoffen ist das Verfahren des hochenergetischen Kugelmahlens genutzt worden. Die Versuche haben gezeigt, dass effektives mechanisches Legieren von kommerziellen NiCoCrAIY-Pulvern mit oxidischen Hartphasen mit der hochenergetischen Kugelmühle möglich ist. So konnte festgestellt werden, dass eine feine und homogene Verteilung der Dispersoide, eine sphärische Morphologie und eine effiziente Partikelgrößenverteilung für das Thermische Spritzen bei einem Anteil von 5 Gew.-% Yttrium teilstabilisiertem Zirkonoxid (93/7 - YPSZ) nach einer Mahldauer von 5 h erreichbar ist. Die optimale Mahldauer zur Produktion von mit 10 Gew.-% YPSZ verstärktem N-iCoCrAlY-Pulver fur das Thermische Spritzen beträgt bei den gewählten Mahlparametern 4 h. Aus den mit den optimierten Mahlparametern legierten Pulvern wurden Spritzschichten mittels Hochgeschwindigkeitsflammspritzens (HVOF) hergestellt. Dabei war eine Spritzparameteroptimierung notwendig, da die legierten Pulver über eine veränderte Oberflächenbeschaffenheit und veränderte Materialeigenschaften gegenüber den kommerziellen MCrAIY-Pulvern verfügen. Des Weiteren mussten die Parameter auch dahingehend angepasst werden, dass die beim mechanischen Legieren hergestellte Mikrostruktur des Pulvers während des Beschichtungsvorgangs erhalten blieb. Analysen der mit den optimierten Spritzparametern applizierten Schichten bestätigen den Erhalt der Mikrostruktur in der thermisch gespritzten Schicht. Somit ist der HVOF-Prozess geeignet, um legierte Pulver zu verspritzen ohne eine strukturelle Veränderung des Materials vorzunehmen. Die Qualifizierung der modifizierten MCrAlY-Werkstoffe für die Turbinenschaufelbeschichtungen geschah durch die Analyse der mechanischen Eigenschaften der Schichten sowie der Eigenschaften bei korrosivem bzw. oxidierendem Angriff, wie er in Turbinen im Betrieb vorherrscht. Durch die Verstärkung der NiCoCrAlY-Ausgangsmatrix mit oxidischen Dispersoiden konnte eine Härtesteigerung von 100 HV0,1 im Vergleich zu konventionellen NiCoCrAlY-Schichten erreicht werden. Darüber hinaus konnte in Pin-on-disc-Tests (PoD) bei 700°C mit einem AI2O3-Gegenkörper nachgewiesen werden, dass der abrasive Verschleiß der Schichten durch Einlegieren von 5 Gew.-% YPSZ halbiert werden kann. Oxidationsversuche an den unterschiedlichen Schichtsystemen deuten auf ein ähnliches Oxidwachstum bei allen Schichtsystemen hin. Mit Hilfe der Röntgendiffraktometrie konnte die Existenz einer Al2O3-Deckschicht nachgewiesen werden. Um die Stabilität der Schichten bei erosivem Angriff zu untersuchen, wurden die unterschiedlichen Schichtsysteme für 10 s bei einer Temperatur von 800 °C mit AI2O3-Partikeln beschossen, anschließend wurde der Erosionsverschleiß gravimetrisch ermittelt. In diesem Fall war in erster Linie nur die Oxidschicht abgetragen worden. Daher wurden diese Schichten nochmals für 20 s bei gleichen Randbedingungen einem erosivem Angriff mit AI2O3-Partikeln ausgesetzt. In diesem Fall hatten die oxidverstärkten Schichten einen Materialverlust von 47 mg/cm2, die konventionelle Schicht wies einen Materialverlust von 38 mg/cm2 auf. Abschließend wurden die Schichten hinsichtlich ihrer Hochtemperaturkorrosionseigenschaften untersucht. Die Schichten wurden sowohl in schwefelhaltiger als auch in chlorhaltiger Atmosphäre ausgelagert. Hierbei zeigten sich Defizite in der Dichtigkeit der neuentwickelten MCrAlY-Schichten. Die im Rahmen des Projektes neu entwickelten MCrAIY Beschichtungen wiesen zwar keine Vorteile im Bereich des Erosionsschutzes und der Hochtemperaturkorrosionsschutzes im Vergleich zu konventionellen MCrAIY Schichten auf, jedoch zeigen die YPSZ-verstärkten MCrAIY Schichten großes Potential den Gleitverschleiß bei hohen Temperaturen zu verbessern. Dieser Verschleiß kommt unter anderem bei Walzen in der Stahlproduktion zum Vorschein. Bei zukünftigen Forschungsvorhaben sollte die Wärmenachbehandlung der neu entwickelten MCrAIY Beschichtungen noch intensiver betrachtet werden, um eine höhere Dichtigkeit der Schichten zu ermöglichen. Somit könnten diese Schichten im Hochtemperaturkorrosionsschutz eingesetzt werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Development of Oxide Dispersion Strengthened MCrAlY Coatings, Journal of Thermal Spray Technologies, Vol. 17 (5-6). 2008, ISBN 978-0-387-92776-3
Bobzin, K.; Schläfer, T.; Richardt K.; Brühl, M.
- Development of Oxide Dispersion Strengthened MCrAlY Coatings, Proceedings of the International Thermal Spray Conference 2008, Maastricht Verlag für Schweißen und verwandte Verfahren DVS Verlag GmbH, 2008, S. 278-282, ISBN 978-3-87155-979-2
Bobzin, K.; Schläfer, T.; Richardt, K.; Brühl, M.
- Development of Oxide Dispersion Strengthened MCrAlY Powder by High Energy Ball Milling, Turbine Forum 2008, Nizza, Forum of Technology
Bobzin, K.; Ernst F.; Richardt K.; Brühl, M
- Development of Oxide Dispersion Strengthened MCrAlY Powder by High Energy Ball Milling; Proceedings EUCOMAS 08, VDI-Berichte 2028, 2008, S. 419-422, ISBN 978-3-18- 092028-3
Bobzin, K.; Ernst, F.; Bagcivan, N.; Richardt, K.; Brühl, M.
- Properties of newly developed YPSZ Dispersion Strengthened NiCoCrAlY Coatings; 22nd International Conference on Surface Modification Technologies, Trollhättan, Schweden, 2008
Bobzin, K.; Schläfer, T.; Richardt, K.; Brühl, M.
