Oxidations- und Diffusionsbeständigkeit von HS-PVD (Cr,Al ... · * M. Sc. Tiancheng Liang...
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* M. Sc. Tiancheng Liang Telefon: +49 241 80-95346 E-Mail: [email protected] Oxidations- und Diffusionsbeständigkeit von HS-PVD (Cr,Al)ON- γ-TiAl-Legierungen beschichteten DFG BO 1979/40-1, 01.06.2015-31.01.2018 K. Bobzin, T. Brögelmann, C. Kalscheuer, T. Liang* Zielsetzung § Herstellung dicker (d ≈ 15 µm) (Cr,Al)ON-Beschichtungen mittels High- Speed Physical Vapour Deposition (HS-PVD)-Technologie § Untersuchung der Eignung der (Cr,Al)ON-Beschichtungen zur Erhöhung der Oxidationsbeständigkeit von γ-TiAl Motivation § Untersuchung der Morphologie und Mikrostruktur mittels Rasterelektronenmikroskopie (REM) und Transmissions- elektronenmikroskopie (TEM) § In-situ Phasenanalyse bei hohen Temperaturen bis T = 950 °C mittels Hochtemperaturröntgendiffraktometrie (HT-XRD) § Beurteilung der Diffusionseffekte unter Einsatz der energiedispersiven Röntgenspektroskopie (EDX) und Elektronenstrahlmikroanalyse (ESMA) Ausblick Ergebnisse § Dichte (Cr,Al)ON-Beschichtungen mit einer Nanokomposit-Mikrostruktur § Hohe Abscheiderate dd/dt > 16 µm/h bei der Herstellung von (Cr,Al)ON- Beschichtungen § Hohe Phasenstabilität der (Cr,Al)ON-Beschichtungen bis T = 950 °C mittels Differential Scanning Calorimetry (DSC) nachgewiesen § Röntgenamorph bis Temperaturen T = 950 °C ohne Phasenumwandlung unter sauerstoffhaltiger Atmosphäre § Signifikante Unterbindung der Interdiffusion § Entwicklung und Herstellung von dicken (Si,Al)ON-Beschichtungen § Charakterisierung der Systemeigenschaften in Langzeitversuchen § Applikation der Beschichtungen auf Turbinenschaufeln Danksagung Institut für Oberflächentechnik RWTH Aachen University Kackertstraße 15, 52072 Aachen, GERMANY www.iot.rwth-aachen.de Telefon: +49 241 80-95346 Fax: +49 241 80-92941 Fanschaufeln Kompressor Brennkammer Hochdruck- turbine Niederdruck- γ-TiAl-Legierungen Einsatz von γ-TiAl in der Gasturbine [GE Aviation] HT-XRD-Spektren der (Cr Al )O N - 32 30 35 3 Beschichtung Das Forschungsvorhaben BO 1979/40-1 wird durch die Deutsche Forschungs- gesellschaft (DFG) finanziert. Für diese Förderung und Unterstützung sei gedankt. Intensität [a. u.] 20 30 40 50 60 70 80 Beugungswinkel 2θ [°] turbine 16,5 µm CrAl Interlayer WC-Co-Substrat (Cr Al )O N -Beschichtung 37 34 28 1 10 µm Morphologie und Mikrostruktur der as- deposited (Cr Al )O N -Beschichtung 37 34 28 1 mittels REM und TEM T = 950 °C T = 850 °C T = 750 °C T = 650 °C T = 550 °C Einbettmittel (Cr Al )O N -Beschichtung 32 30 35 3 CrAl Interlayer Ti-48Al-2Cr-2Nb Röntgenamorphe (Cr Al )O N - 32 30 35 3 Beschichtung nach HT-XRD- Untersuchungen bei T = 950 °C Chemische Zusammensetzung [at.%] 0 20 40 60 Linienscan 0 10 20 Abstand x [µm] EDX-Linienscan der (Cr Al )O N - 32 30 35 3 Beschichtung nach den HT-XRD- Untersuchungen Cr O Al Ti Nb N Scanrichtung (Cr Al )O N - 32 30 35 3 Beschichtung IDZ* Ti-48Al- 2Cr-2Nb Interdiffusions- zone (IDZ) * Methoden § Anwendung von γ-TiAl als Leichtbauwerkstoff in Turbinen § Geringe Oxidationsbeständigkeit von γ-TiAl bei Temperaturen T > 850 °C
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* M. Sc. Tiancheng Liang Telefon: +49 241 80-95346 E-Mail: [email protected]
Oxidations- und Diffusionsbeständigkeit von HS-PVD (Cr,Al)ON- γ-TiAl-Legierungen beschichteten DFG BO 1979/40-1, 01.06.2015-31.01.2018K. Bobzin, T. Brögelmann, C. Kalscheuer, T. Liang*
Zielsetzung § Herstellung dicker (d ≈ 15 µm) (Cr,Al)ON-Beschichtungen mittels High-Speed Physical Vapour Deposition (HS-PVD)-Technologie
§ Untersuchung der Eignung der (Cr,Al)ON-Beschichtungen zur Erhöhung der Oxidationsbeständigkeit von γ-TiAl
Motivation
§ Untersuchung der Morphologie und Mikrostruktur mittels Rasterelektronenmikroskopie (REM) und Transmissions-elektronenmikroskopie (TEM)
§ In-situ Phasenanalyse bei hohen Temperaturen bis T = 950 °C mittels Hochtemperaturröntgendiffraktometrie (HT-XRD)
§ Beurteilung der Diffusionseffekte unter Einsatz der energiedispersiven Röntgenspektroskopie (EDX) und Elektronenstrahlmikroanalyse (ESMA)
Ausblick
Ergebnisse § Dichte (Cr,Al)ON-Beschichtungen mit einer Nanokomposit-Mikrostruktur
§ Hohe Abscheiderate dd/dt > 16 µm/h bei der Herstellung von (Cr,Al)ON-Beschichtungen
§ Hohe Phasenstabilität der (Cr,Al)ON-Beschichtungen bis T = 950 °C mittels Differential Scanning Calorimetry (DSC) nachgewiesen
§ Röntgenamorph bis Temperaturen T = 950 °C ohne Phasenumwandlung unter sauerstoffhaltiger Atmosphäre
§ Signifikante Unterbindung der Interdiffusion
§ Entwicklung und Herstellung von dicken (Si,Al)ON-Beschichtungen
§ Charakterisierung der Systemeigenschaften in Langzeitversuchen
§ Applikation der Beschichtungen auf Turbinenschaufeln
Danksagung
Institut für OberflächentechnikRWTH Aachen UniversityKackertstraße 15, 52072 Aachen, GERMANYwww.iot.rwth-aachen.deTelefon: +49 241 80-95346Fax: +49 241 80-92941
Fanschaufeln
KompressorBrennkammer
Hochdruck-turbine
Niederdruck-γ-TiAl-Legierungen
Einsatz von γ-TiAl in der Gasturbine [GE Aviation]
HT-XRD-Spektren der (Cr Al )O N -32 30 35 3
Beschichtung
Das Forschungsvorhaben BO 1979/40-1 wird durch die Deutsche Forschungs-gesellschaft (DFG) finanziert. Für diese Förderung und Unterstützung sei gedankt.
Inte
nsi
tät
[a. u
.]
20 30 40 50 60 70 80
Beugungswinkel 2θ [°]
turbine
16,5 µmCrAl Interlayer
WC-Co-Substrat
(Cr Al )O N -Beschichtung37 34 28 1
10 µm
Morphologie und Mikrostruktur der as-deposited (Cr Al )O N -Beschichtung 37 34 28 1
mittels REM und TEM
T = 950 °C
T = 850 °C
T = 750 °C
T = 650 °C
T = 550 °C
Einbettmittel
(Cr Al )O N -Beschichtung32 30 35 3
CrAl Interlayer
Ti-48Al-2Cr-2Nb
Röntgenamorphe (Cr Al )O N -32 30 35 3
Beschichtung nach HT-XRD-Untersuchungen bei T = 950 °C
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EDX-Linienscan der (Cr Al )O N -32 30 35 3
Beschichtung nach den HT-XRD-Untersuchungen
Cr
O
Al
Ti
NbN
Scanrichtung
(Cr Al )O N -32 30 35 3
Beschichtung IDZ
* Ti-48Al-2Cr-2Nb
Interdiffusions-zone (IDZ)
*
Methoden
§ Anwendung von γ-TiAl als Leichtbauwerkstoff in Turbinen
§ Geringe Oxidationsbeständigkeit von γ-TiAl bei Temperaturen T > 850 °C
