Verfahren zur Herstellung einer Schutzschicht auf mit heißen Gasen, insbesondere Rauchgasen beaufschlagten metallischen Wänden

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer Schutz- schicht auf mit heißen Gasen, insbesondere Rauchgasen beaufschlagten und in einem vorgegebenen Temperaturbereich beanspruchten, metallischen und aus einem vorgegebenen Grundwerkstoff bestehenden Wänden von Verbrennungsanlagen, Wärmetauschern oder ähnlichen Anlagen, bei dem mit Hilfe des Plasmaspritzverfahrens auf die zuvor gereinigten, metallischen Wände zur Bildung der Schutzschicht ein Pulver aus metallischen, karbidischen, oxidkeramischen oder silicidischen Werkstoffen oder Mischungen dieser Werkstoffe aufgetragen wird.

Derartige Schutzschichten sollen z.B. auf Kühlwände von Abhitzekesseln an Stahlkonvertern aufgetragen werden. Diese Wände sind besonders hohen Belastungen ausgesetzt. Auf der einen Seite strömen ca. 1 00° -

1800° C heiße, mit Asche und Schlackepartikeln beladene Rauchgase entlang, während auf der anderen Seite Sattdampfdrücke von ca. 20 - 80 bar herrschen. Die sattdampfgekühlten Rohrwände haben dabei Innendruck-Gradienten von bis zu 2 bar/min.

Aus der DE 23 55 532 C2 ist ein Verfahren zum Pulverauftragsschweißen von Metallen und Legierungen auf eine durch Sandstrahlen vorbereitete, vorgewärmte Metallunterlage bekannt, bei dem die Metal lunteriage zuvor auf mindestens 100 bis etwa 650° C erhitzt wird. Sowohl beim Auftragsschweißen mittels Stabelektrode als auch beim Pulverauftragsschweißen oder Flammspritzen mit nachträglichem Ein¬ schmelzen wird beim Aufbringen der Schutzschicht der Grundwerkstoff sehr stark erhitzt, was zu einer unerwünschten Gefügeänderung führt. Insbesondere bei dem Flammspritzen liegt die Einschmelztemperatur in Abhängigkeit von dem verwendeten Spritzpulver zwischen 980 und 1060° C. Bedingt durch die hohe Wärmeeinbringung kommt es außerdem zum

Verzug der zu beschichtenden Wände. Beim Einbau dieser Wände kann es dann zu Problemen und zusätzlichen Kosten wegen der Maßun- genauigkeiten kommen. Wenn die Schutzschichten mit diesen bekannten Verfahren nachträglich aufgebracht werden, können die temperaturbedingten Spannungen nicht in Form von Verzug reagieren, sondern führen bei den eingebauten Wandeiementen zu Rissen in der Oberfläche, insbesondere im Bereich der Schweißnähte. Beim Auftragsschweißen hat die Schutzschicht eine Dicke von etwa 8 bis 10 mm und beim Flammspritzen von 1 bis 2 mm.

Aus der DE-AS 26 30 507 ist außerdem ein Verfahren zur Herstellung von

Schutzschichten auf Werkstücken gegen Heißgaskorrosion und/oder mechanischen Verschleiß bekannt, bei dem mittels Plasmaspritzen im Vakuum ein aus verschiedenen Legierungen bestehendes Beschichtungspulver auf das Werkstück aufgetragen wird. Bei diesem Vakuumspritzverfahren muß mit erheblichem Aufwand in einer von außen nicht zugänglichen Bearbeitungskammer ein Vakuum erzeugt und die Beschichtung durchgeführt werden. Bei größeren, z.B. im Abhitzekessel eingebauten Wänden ist dies nicht möglich.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gattungsgemäßes Verfahren vorzuschlagen, bei dem diese Probleme nicht auftreten und insbesondere der Verzug der Werkstücke und rißbildende Spannungen im Grundwerkstoff vermieden werden.

Die erfindungsgemäße Lösung der Aufgabe ist im Kennzeichen des Anspruchs 1 wiedergegeben. Die Unteransprüche 2 bis 10 enthalten sinnvolle ergänzende Verfahrensschritte.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird vor dem Auftragen des Pulvers mit dem atmosphärischen Plasmaspritzverfahren nicht nur die Oberfläche der Wände aufgerauht, sondern auch der Grundwerkstoff der Wände in der Weise aktiviert, daß Störungen im metallischen Gitter erzeugt werden, wodurch die Adhäsionskräfte erhöht werden. Unmittelbar anschließend, bevor diese Störungen im Gitter wieder aufgehoben sind,

wird dann unter atmosphärischen Bedingungen nach dem Plasmaspritz¬ verfahren das Pulver auf die Wände aufgetragen, deren Oberfläche dabei etwa Raumtemperatur behält.

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Die Zusammensetzung des Pulvers wird in Abhängigkeit von dem vorhandenen Grundwerkstoff und den späteren Betriebsbedingungen, insbesondere den vorgegebenen Temperaturbereichen, bestimmt. Erfindungsgemäß sollen für den Übergangsbereich zwischen Grundwerkstoff und aufgetragener Schicht im nichtbeanspruchten Zustand, d.h. bei Raumtemperatur, Zugspannungen zwischen 50 und 800 N/mm ² , vorzugsweise zwischen 500 und 800 N/mm ² vorliegen, die in dem vorgegebenen beanspruchten Temperaturbereich im wesentlichen auf 0 abgebaut sind oder geringe Druckspannungen aufweisen. Diese Spannungszustände (vgl. beigefügte Figur) werden rechnerisch mit Hilfe der Wärmeausdehnungskoeffizienten von Grundwerkstoff einerseits und von aus verschiedenen Pulvern hergestellten Probewerkstücken andererseits ermittelt. Eine Überprüfung der rechnerischen Bestimmung kann dann nach DIN 50121 durchgeführt werden.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann z.B. auf ebenen oder gebogenen Wänden von Verbrennungsanlagen, Wärmetauschern, insbesondere von Abhitzekesseln an Stahlkonvertern eine wärmeschockunempfindliche und reparaturfreundliche Schutzschicht gegen Heißgaskorrosion und/oder mechanischen Verschleiß erzeugt werden.

Es hat sich gezeigt, daß eine Endschichtdicke von 0,1 bis 0,5 mm, vorzugsweise 0,15 bis 0,25 mm bereits ausreicht, um auch über einen wesentlich längeren Zeitraum als bisher möglich einen nennenswerten Verschleiß zu verhindern. Zur Aufbringung einer derartigen Schutzschicht hat sich vor allem eine 80 KW-Plasmaspritzaniage mit Innenpulverzuführung als besonders geeignet erwiesen. Es wird dabei Pulver mit einer Korngröße von weniger als 75 μm, vorzugsweise 20 bis

40 μm verwendet. Mit diesem Pulver kann insbesondere eine sehr dünne Schicht aufgebracht werden, die die Bedingung der Wärmeschock-

unempfindlichkeit und der Beständigkeit gegen Heißgaskorrosion erfüllt, und hohe Eigenspannung, bedingt durch den prozeßbedingten laminaren Schichtaufbau, vermeidet. Die Gesamtschicht wird günstigerweise in mindestens zwei Übergängen hergestellt.

Vor dem Plasmaspritzen kann die zu behandelnde Oberfläche der Wände mit Edelkorund, vorzugsweise mit hochreinem weißen Edelkorund aufgerauht und aktiviert werden.

Weiterhin hat es sich als günstig erwiesen, daß beim erfindungs¬ gemäßen Verfahren die Oberfläche durch den Plasmastrahl und die darin aufgeschmolzenen-Pulverpartikel nur auf ca. 40° C maximal 60° C erwärmt wird. Hierdurch kann insbesondere ein Verzug der Wandflächen ausgeschlossen werden.

Zweckmäßig wird ein eine Ni-Legierung enthaltendes Pulver verwendet.

Es hat sich gezeigt, daß die atmosphärische Plasmabeschichtung spätestens 45 Min., vorzugsweise spätestens 30 Min. nach der

Aktivierung der Oberfläche der Wände durchgeführt werden sollte.

Schließlich kann die Beanspruchungstemperatur der mit einer Schutz¬ schicht behandelten Wände im Bereich zwischen 300 und 1800° C, vorzugsweise 600 und 1000° C liegen.

In der beigefügten Figur wird in einem Spannungs-Temperaturdiagramm beispielhaft das Spannungsverhalten in der Übergangszone des Grundwerkstoffes und der aufgebrachten Schutzschicht im Temperaturbereich zwischen 0 und etwa 1200° C dargestellt. Grundlage sind dabei die gemessenen, mittleren linearen Wärmeausdehnungs- koeffizienten der beiden Werkstoffpartner.

Im nichtbeanspruchten Zustand der beschichteten Wandfläche eines Konverter-Abhitzekessels sind in der Übergangszone zwischen dem Grundwerkstoff und dem Beschichtungswerkstoff Zugspannungen oberhalb 600 N/mm ² vorhanden.

Im Betriebszustand der beschichteten Abhitzekessel-Wandfläche wird die Spritzschicht plötzlich durch hohe Temperaturen der aus dem Konverter hochspritzenden Stahlschmelze und der heißen Schlacke beaufschlagt. In dem Diagramm ist der Vorgang durch den Spannungsverlauf dargestellt, indem bei ca. 700° C der neutrale Spannungsbereich durchlaufen wird und sich oberhalb 700° C in der Übergangszone Druckspannungen aufbauen, die ein Abplatzen der Schicht oder die Rißbildung in der Schicht verhindern. Durch die üblicherweise wassergekühlten Rohre der Abhitzekesselwände baut sich nach der Beanspruchung langsam der Zugspannungszustand wieder auf, d.h. in dem Diagramm wird die eingezeichnete Linie des Spannungsverlaufes in umgekehrter Richtung durchfahren. In der Figur ist lediglich ein bei¬ spielhafter Spannungsverlauf abhängig von der Temperatur dargestellt. Für andere Beanspruchungsbereiche kann naturgemäß auch der sogenannte 0-Zustand statt bei 700° C auch bei 400° oder bei 800° C liegen.