Cr-Cr2O3-Plasma. einer neue Schicht für Hochtemperatur-Anwendungen. vorgelegt von. Dr. Vadim Verlotski

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1 Cr-Cr2O3-Plasma einer neue Schicht für Hochtemperatur-Anwendungen vorgelegt von Dr. Vadim Verlotski

2 Cr-Cr2O3-Plasma REM Optik

3 Anwendungsbereiche Dauerhaften Oxidationsschutz und Wärmedämmung (bei gekühlten Erzeugnissen) für Nickel-, Kobalt- und Titanbasislegierungen mit der Wärmeausdehnungskoeffizienten im Bereich 9,5-14x10-6 K -1 : Temperatur an der Schichtoberfläche bis 1050 C, am Interface zum Substrat bis 900 C Korrosionsschutz gegenüber korrosiven Abgasen und Aschen (Aschen der Schwerölverbrennung, Flugaschen, andere saure Schmelzen) bis 900 C Korrosionsschutz gegenüber Schwefel- und Schwefelwasserstoffkorrosion bis 900 C Korrosionsschutz gegen starken oxidierenden Säuren (z.b. HNO 3 ), Laugen und manchen Salzlösungen

4 Applizieren von Cr-Cr2O3-Plasma Applizieren von Cr-Cr2O3-Plasma erfolgt durch atmosphärisches Plasmaspritzen mit dem Axial III-Brenner (Mettech, Thermico) direkt auf fein sandgestrahlter Substratoberfläche Die Schichtstärke kann zwischen 50 und 2000 µm variiert werden Nach dem Beschichten von Eisen,- Nickel- und Kobaltbasislegierungen ist eine nachträgliche Wärmebehandlung an der Luft bei 900 C notwendig (es entsteht eine metallurgische Verbindung) Im Falle vom Beschichten der Titanlegierungen und Titanaluminiden ist die gespritzte Schicht sofort einsatzbereit (Diffusionsverbindung entsteht schon während des Spritzens) Bei Bedarf kann die fertige Schicht mittels Schleifen und Polieren auf Maß bearbeitet werden

5 Eigenschaften der Schicht Cr-Cr2O3-Plasma Ungefähre Zusammensetzung der fertigen Schicht, vol.%: Cr 45 Cr 2 O 3 38 Ni80Cr20 10 Cristobalit 7 Die Schicht ist frei von Poren und Rissen und bietet einen zuverlässigen Korrosions- und Oxidationsschutz für alle Substrate Haftfestigkeit zur Titanlegierungen beträgt mehr als 150 MPa ohne Wärmebehandlung und mehr als 250 MPa mit Wärmebehandlung bei 800 C Haftfestigkeit zur Eisen,- Nickel und Kobaltbasislegierungen beträgt mehr als 250 MPa mit Hochtemperatur-Wärmebehandlung bei 900 C Bei Temperaturen >850 C bildet sich zwischen Nickelbasislegierungen und der Schicht eine durchgehende Diffusionszone aus Chrom, die als eine Barriere für die Nickeldiffusion aus dem Substrat dient. Durch diese Barriere bleibt den Interface zwischen Schicht und Substrat bei 900 C auf Dauer stabil

6 Eigenschaften der Schicht Cr-Cr2O3-Plasma Härte (20 C) : 620 HV 0,2 E-Modul (20 C): 95 GPA Biegefestigkeit (20 C): 260 MPa Biegefestigkeit (550 C): 330 MPa Dichte (20 C): 6,1 g/cm -1 Wärmeausdehnungskoeffizient (20 C): 9,5x10-6 K -1 Spezifische Wärmekapazität (20 C): 0,52 J/gK Temperaturleitfähigkeit (20 C): 1,2 mm 2 s -1 Wärmeleitfähigkeit (20 C): 3,8 W/mK

7 Gefüge der Schicht Cr-Cr2O3-Plasma ohne Wärmebehandlung 500µm Schicht auf TNM-B1 ohne Wärmebehandlung

8 Gefüge der Schicht Cr-Cr2O3-Plasma ohne Wärmebehandlung 500µm Schicht auf TNM-B1 ohne Wärmebehandlung

9 Gefüge der Schicht Cr-Cr2O3-Plasma mit Wärmebehandlung 500µm Schicht auf Nimonic80A (Hochtemperatur-Wärmebehandlung: 10h bei 900 C) Nimonic80A

10 Gefüge der Schicht Cr-Cr2O3-Plasma mit Wärmebehandlung REM x1000 Optik x1000 Nimonic80A

11 Gefüge der Schicht Cr-Cr2O3-Plasma mit Wärmebehandlung

12 Diffusionszone zwischen Nimonic 80A und Cr-Cr2O3-Plasma nach der Hochtemperatur-Wärmebehandlung (Erklärung für eine sehr hohe Haftung)

13 Test der Haftung mittels Brinell-Kugel Keine Risse bei 30 kg Last auf 2,5 mm Brinell-Kugel entsprechen einer Haftfestigkeit großer 250 MPa Cr-Cr2O3-Plasma nach einer Hochtemperatur-Wärmebehandlung: 10h bei 900 C an Luft

14 Veränderung der Gefüge von Cr-Cr2O3-Plasma bei 900 C (auf Nimonic 80A) Cr-Cr2O3-Plasma, 900 C Deutliche Vergröberung der Gefüge in ersten Stunden bei 900 C und sehr langsame danach. Es entstehen keine Poren und Rissen sowie in Masse der Schicht als auch am Interface zum Substrat

15 Veränderung der Gefüge von Cr-Cr2O3-Plasma bei 1000 C (auf Nimonic 80A) Cr-Cr2O3-Plasma, 1000 C 1000 C ist nicht kritisch in Masse der Schicht, aber schon kritisch an Interface zum Substrat: nach 1500 h entsteht da eine Porosität

16 Cr-Cr2O3-Plasma auf Einlassventilen aus TiAl6V4 (Ti 6-4) für Rennmotoren Ventilteller nach dem Spritzen Nach dem Schleifen und Polieren der Schicht

17 Oxidationstest: 800 C-300h, Substrat Ventilteller aus Ti 6-4 Tellerseite, beschichtet mit Cr-Cr2O3-Plasma Unbeschichtete Rückseite

18 Oxidationstest: 800 C, Cr-Cr2O3-Plasma auf Ti 6-4. Vergleich von Gefügen hach 65, 220, 580 und 1370h. Ti 6-4 Ti h 220h Ti 6-4 Ti h 1370h

19 Dreiphasengrenze [Cr-Cr2O3-Plasma] [Ti 6-4 ] [Luft] nach der Auslagerung bei 800 C nach 65h nach 580h Cr-Cr2O3-Plasma ca. 300 µm nach 220h nach 1370h

20 Cr-Cr2O3-Plasma auf Auslassventilen aus TiAl (TNM-B1) für Rennmotoren

21 Oxidationstest: 900 C-500h, Substrat Ventilteller aus TNM-B1

22 Wechselwirkungen Cr-Cr2O3-Plasma mit TNM-B1 nach 500h bei 900 C

23 Wechselwirkungen Cr-Cr2O3-Plasma mit TNM-B1 nach 500h bei 900 C Cr Ti Ni-Diffusion Al 2 O 3

24 Dreiphasengrenze [Cr-Cr2O3-Plasma] [TNM-B1 ] [Luft] nach 500h bei 900 C ca. 30 µm Zunderschicht auf TNM-B1 nach 500 h bei 900 C Abplatzungen von Zunder

25 Ausblick Cr-Cr2O3-Plasma Bei der Anwendung in Triebwerken kann Cr-Cr2O3-Plasma sowie für Kompressoren, als auch für die Turbinen sehr interessant sein. Die Kombination von guten mechanischen Eigenschaften (hohe Festigkeit und Haftung zum Substrat bei niedrigem E-Modul) mit einer niedrigen Wärmeleitfähigkeit und sehr hoher Korrosionsbeständigkeit macht die Schicht Cr-Cr2O3-Plasma unerreichbar für alle andere Schichten, die in diesen speziellen Technikbereich eine Anwendung fanden. Auch in Bezug an Kosten und Wirtschaftlichkeit ist Cr-Cr2O3-Plasma den heute verwendeten Doppelschicht YSZ-MCrAlY weit überlegen.

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