CH647816A5

CH647816A5 - Verfahren zum aufbringen eines doppelblechueberzuges.

Info

Publication number: CH647816A5
Application number: CH1093/80A
Authority: CH
Inventors: William Frederick Schilling; Adrian Maurice Beltran
Original assignee: Gen Electric
Priority date: 1979-02-22
Filing date: 1980-02-11
Publication date: 1985-02-15
Also published as: GB2042393A; US4218007A; JPS574432B2; DE3006103C2; NL8000419A; IT1140676B; DE3006103A1; NO156573C; IT8020073A0; NO800485L; GB2042393B; FR2449790A1; JPS55133893A; NO156573B; FR2449790B1

Description

Der vorliegenden Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Diffusionsverbinden eines Doppelblechüberzuges mit komplex geformten Komponenten aus Superlegierung in einer einzigen Stufe zu schaffen und dabei eine Vielzahl von Stufen beim Verbinden zu beseitigen, wie sie bei den Verfahren nach dem Stande der Technik angewendet werden. Das erfindungsgemässe Verfahren ist gekennzeichnet durch die in Anspruch 1 angegebenen Merkmale und kann allgemein wie folgt durchgeführt werden: Zunächst bringt man s

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einen inneren Blechüberzug aus Aluminium auf dem Substrat an, woraufhin man einen äusseren Blechüberzug aus MCr(Al, Y,Ta), der korrosionsbeständig ist, so auf dem inneren Blechüberzug anbringt, dass der äussere Blechüberzug den inneren Blechüberzug vollkommen einhüllt und abdichtet. Dann ordnet man das mit den beiden Blechüberzügen versehene Substrat in einem deformierbaren Behälter an und füllt diesen danach mit einem druckübertragenden Glasmedium, um das von den Blechüberzügen eingehüllte Substrat vollkommen damit zu bedecken. Der Behälter wird abgedichtet, und die Blechüberzüge werden bei erhöhter Temperatur und unter Anwendung von Druck gemäss einem hinsichtlich Zeit und Temperatur programmierten Zyklus zum isostatischen Pressen durch Diffusion mit dem Substrat verbunden. Wesentlich ist, dass der innere Aluminiumüberzug, der während des Diffusionsverbindens aufgrund der angewendeten hohen Temperaturen und des hohen Druckes dazu neigt, flüssig zu werden, durch den unter Druck stehenden, höher schmelzenden äusseren MCr(Al, Y,Ta)-Überug an Ort und Stelle gehalten wird.

Dieser Druckzustand wird aufrechterhalten, bis sich das Aluminium vollkommen umgesetzt hat und erstarrt ist.

In der Zeichnung ist dargestellt in:

Figur 1 eine graphische Darstellung mit den typischen Druck-Temperatur-Zeit-Kurven für das Diffusionsverbinden und

Figur 2 eine graphische Darstellung der verbesserten Korrosionsbeständigkeit aufgrund des Überziehens mit dem Doppelblechüberzug gemäss der vorliegenden Erfindung, verglichen mit einer Bezugsprobe, die nur einen einzigen Überzug aus MCr(Al,Y,Ta) aufweist.

Bei dem erfindungsgemässen Verfahren wird isostatischer Druck in der Wärme in Kombination mit geschmolzenem Glas als Druckübertragungsmedium benutzt, um die erwünschte Komponente herzustellen. Zuerst wird die Oberfläche des Substrates aus Superlegierung vorbereitet, z.B. durch Abstrahlen mit Glasperlen, chemisches Ätzen und gegebenenfalls Nickelplattieren, gefolgt von einer geeigneten, im Vakuum ausgeführten Diffusionswärmebehandlung. Dann legt man den inneren Aluminiumblechüberzug an das Substrat, z.B. als Aluminiumfolie mit einer Dicke von typisch 0,012 bis 0,075 mm.

Danach formt man den äusseren Blechüberzug aus MCr(Al,Y,Ta) auf einem Dorn oder einem Musterkörper zu der Gestalt des Substrates, wie z.B. in der US-PS 3 928 901 beschrieben. Dabei erfolgt zuerst ein grobes Formen des Blechüberzuges mit Hilfe des Musterkörpers, so dass der Blechüberzug eng an der konvexen Oberfläche des Musterkörpers anliegt, während der Blechüberzug gegenüber der konkaven Oberfläche des Musterkörpers noch einen Abstand hat. Dann ordnet man Blechüberzug und Musterkörper in einer abgedichteten Gummiform an und wendet isostatischen Druck auf die Form an, um den Blechüberzug in Berührung mit der konkaven Oberfläche des Musterkörpers zu bringen.

Die chemische Zusammensetzung des äusseren Blechüberzuges aus den hier mit MCr(Al, Y,Ta) bezeichneten Legierungen, bei welchen M Eisen, Kobalt oder Nickel bedeutet, haben vorzugsweise im wesentlichen die folgende Zusammensetzung in Gew.%:

Bestandteile Gew.%

Chrom 15-50

Aluminium 0-6

Yttrium 0-3

Tantal 0-5

Bestandteile

Gew.%

Eisen

Kobalt

Rest

Nickel

Bevorzugte Beispiele für solche Überzüge sind die oben bereits erwähnten und als FeCRAlY, CoCrAlY, NiCrAlY, FeCrY, NiCrund CoCrAlYTa bezeichneten Zusammensetzungen. Die Dicke des äusseren Blechüberzuges kann im Bereich von etwa 0,125 bis etwa 0,75 mm liegen, wobei die bevorzugte Dicke etwa 0,25 mm beträgt.

Der äussere Blechüberzug wird so um das bereits mit dem inneren Blechüberzug aus Aluminium versehene Substrat gelegt, dass dieser innere Aluminiumüberzug vollkommen umhüllt und abgedichtet ist. Dann maskiert man alle Nähte, die sich zwischen dem äusseren Blechüberzug und dem Substrat befinden, um ein Eindringen des druckübertragenden Mediums in die Grenzfläche zwischen äusserem Überzug und Substrat zu verhindern. Dieses Maskieren kann ausgeführt werden, indem man die Nähte umwickelt oder durch Heft-schweissen des äusseren Blechüberzuges entlang der Nähte an das Substrat. Es ist lediglich erforderlich, dass Vorsorge getroffen wird, das Druckübertragungsmedium, sei es fest oder geschmolzen, am Eintreten in den Zwischenraum zwischen äusserem Überzug und Substrat zu hindern und ferner zü verhindern, dass der flüssig gewordene innere Aluminiumüberzug austreten kann.

Die maskierte Baueinheit wird dann in einen deformierbaren Metallbehälter (kohlenstoffarmer Stahl) eingeführt, der unter dem beim Diffusionsverbinden angewendeten Druck zusammenfällt. Das Volumen des deformierbaren Behälters ist derart, dass das mit den Überzügen versehene Substrat vollkommen in einem körnchenförmigen verdichtenden Druckübertragungsmedium eingehüllt werden kann, wobei um die Kanten des Substrates herum ausreichend Abstände vorhanden sind, so dass beim Diffusionsverbinden mittels heissem isostatischen Pressen keine der Kanten den zusammengedrückten Behälter durchstösst. Glasperlen oder Chips aus z.B. üblichem Sodakalkglas sind als Druckübertragungsmedium bevorzugt, weil sich das Glas verdichtet und schmilzt bei den beim Diffusionsverbinden angewendeten Temperaturen und ein optimales hydrostatisches Druckübertragungsmedium ergibt. Darüberhinaus ist Glas relativ inert, leicht zu entgasen, und es kann nach dem Diffusionsverbinden leicht von der Oberfläche der Baueinheit entfernt werden.

Nachdem der deformierbare Behälter sowohl mit dem maskierten, mit den Blechüberzügen versehenen Substrat und dem Druckübertragungsmedium gefüllt ist, wird der Behälter abgedichtet, nachdem er entgast worden ist. Dies erfolgt durch Evakuieren der gesamten Baueinheit gefolgt von einem durch Schmiedeverschweissen ausgeführten Abdichten mit Hilfe des Vakuumsystems.

Dann setzt man den abgedichteten Behälter in einen heissen Autoklaven (heisse isostatische Presse), um bei geeigneten Temperaturen und Drucken das Diffusionsverbinden auszuführen. Hierzu zeigt z.B. die Fig. 1 eine Zeit-Temperatur-Druck-Kurve für einen typischen Zyklus zum Verbinden. Während des Diffusionsverbindens wird die Temperatur, wie in der Kurve der Fig. 1 dargestellt, anfänglich unterhalb des Schmelzpunktes des Aluminiums, d.h. unterhalb von 660°C, gehalten, während man den angewendeten Druck auf etwa 350 bar erhöht. Dieser erhöhte Druck sorgt für einen innigen Kontakt des inneren Aluminiumüberzuges mit dem Substrat und dem äusseren Schutzüberzug. Beim Erhöhen der Temperatur auf einen Maximalwert von etwa

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1200°C werden die Glasperlen flüssig bzw. viskos und die folgende Volumenänderung verursacht ein partielles Zusammenfallen des deformierbaren Behälters um die Baueinheit aus Blechüberzügen und Substrat herum, und dies stellt einen Zustand isostatischer Spannung sicher, der um die Baueinheit herum existiert. Während dieser Zeit verflüssigt sich der innere Aluminiumüberzug und reagiert im flüssigen Zustand mit dem Substrat und der Legierung des äusseren Überzuges unter Bildung des entsprechenden Aluminids und erstarrt. Es ist besonders wichtig, dass das flüssige Aluminium durch den unter Druck stehenden äusseren Überzug eingegrenzt wird, bis es vollkommen reagiert hat. Allgemein werden die während des Diffusionsverbindens benutzten Temperaturen und Drucke zu einem gewissen Grade variieren und von den zu verbindenden Materialien abhängen.

Nach dem Diffusionsverbinden wird die Baueinheit aus Überzügen und Substrat aus dem deformierbaren Behälter und dem Glas herausgenommen, welch letzteres an den Oberflächen der verbundenen Baueinheit haftet und z.B. durch Sandstrahlen oder nachfolgendes Erhitzen im Vakuum und Abschrecken der Baueinheit in Wasser entfernt wird. Danach kann man die verbundene Baueinheit einer abschliessenden Wärmebehandlung unterwerfen, wenn dies erforderlich ist.

Beispiele

Einzelne Probekörper aus Superlegierung auf Nickelbasis (IN 738) wurden zuerst mit einer Aluminiumfolie von 0,0175 oder 0,075 mm Dicke bedeckt und diese dann sandwichartig zwischen 0,25 mm dicke Bleche aus folgenden äusseren Überzugslegierungen gelegt (in Gew.%): Fe-25Cr-lY, Fe-25Cr-0,1Y, Ni-50Crund Co-25Cr-5 Al-lY-3Ta. Die schichtartig angeordneten Probekörper, von denen die äusseren Überzugslegierungen durch Punktschweissen mit dem Substrat verbunden waren, um die Aluminiumfolie einzukapseln, wurden in Behälter aus kohlstoffarmen Stahl eingeführt, der mit Perlen aus Sodakalkglas gefüllt wurde. Man entgaste den Behälter durch ein Evakuierungsrohr für 16 Stunden bei 315°C und unter einem Vakuum von 5 bis 10 (im und dichtete ihn dann durch Schmiedeverschweissen des Rohres ab. Der abgedichtete Behälter wurde dann in einen auf etwa 500°C vorerhitzten Autoklaven eingesetzt, und der Autoklav mit Argon unter einen Druck von etwa 350 bar gesetzt. Nach einer Haltezeit von etwa 15 Minuten erhöhte man die Temperatur des Autoklaven auf etwa 1090°C und hielt Druck und Temperatur etwa 1 Stunde lang gemäss dem in Fig. 1 angegebenen schematischen Diagramm aufrecht. Dann senkte man Temperatur und Druck, nahm den Behälter aus dem Autoklaven, die Probekörper aus dem Behälter und untersuchte sie metallographisch. In allen Fällen hatte die Behandlung zur Ausbildung einer Nickel-Aluminidschicht zwischen dem

äusseren Überzug und dem Substrat geführt, wobei all die genannten Schichten metallurgisch verbunden waren.

Der Versuch wurde wiederholt, wobei man die einzelnen Substratscheiben aus Superlegierung auf Nickelbasis vor dem Zusammenbauen durch Abstrahlen mit Glasperlen und Dampfentfetten vorbehandelte. Die zu verbindene Oberfläche der äusseren Überzugslegierung Fe-25Cr-4Al-l Y wurde ebenfalls vorbehandelt durch Polieren mit Schmirgelpapier mit Teilchen von etwa 0,037 mm Durchmesser und anschliessend dampfentfettet. Eine innere Schicht aus etwa 0,0175 mm dicker Aluminiumfolie wurde durch Punktschweissen mit dem Substrat verbunden, und die äussere Überzugsschicht wurde punktgeschweisst, um diese Sandwichstruktur einzuschliessen. Dann ordnete man die Probekörper in einem Behälter aus kohlenstoffarmem Stahl an, der in einem Heliummassenspectrometer auf Lecks geprüft worden war, entgaste ihn 16 Stunden lang bei etwa 315°C unter einem Vakuum von 5 bis 10 Jim und dichtete ihn durch Hammerschweissen ab. Dann wurde ein identischer isostatischer Presszyklus in der Hitze im Autoklaven ausgeführt, und die Probekörper metallographisch untersucht. Auch hier hatte sich eine Nickel-Aluminidschicht gebildet, und es war ein inniges Verbinden zwischen den Schichten eingetreten.

Dann unterwarf man die Probekörper einem Korrosionstest in einem kleinen Brenner, der bei etwa 980°C arbeitete und bei dem die Verbrennungsprodukte von Dieselöl 1% Schwefel enthielten und mit künstlichem Seesalz zur Erzeugung von 8 ppm Na in der Atmosphäre dotiert waren. Es wurden dieser Umgebung auch Bezugskörper ausgesetzt, die zwar einen durch Diffusionsverbinden aufgebrachten Überzug aus Fe-25Cr-4Al-l Y aufwiesen, nicht aber die innere Nickel-Aluminidschicht. Die Probekörper wurden als Funktion der Zeit periodisch entfernt und Querschnitte davon wurden metallographisch untersucht. Die bei 100%iger Vergrösserung erhaltenen Werte der maximalen Korrosionspenetration in dem äusseren Fe-25Cr-4Al-l Y-Überzug wurden in Fig. 2 als Funktion der Zeit in Stunden aufgetragen. Die Ergebnisse zeigen, dass die Anwesenheit einer inneren Nickel-Aluminidschicht bei den Probekörpern, die gemäss der vorliegenden Erfindung mit einer Aluminiumfolie hergestellt wurden, gemäss Kurve A eine sehr viel geringere Korrosionspenetration nach einer gewissen Zeit in der obigen Atmosphäre ergibt. Die Zunahme der Korrosionspenetration mit der Zeit geschieht ausserdem mit einer geringeren Geschwindigkeit als bei den Bezugsprobekörpern gemäss Kurve B ohne eine solche innere Nickel-Aluminid-schicht. Für einen etwa 0,25 mm dicken äusseren Überzug erhöht sich die Lebensdauer dieses äusseren Überzuges bei Anwesenheit der inneren Nickel-Aluminidschicht auf 5500 Stunden verglichen mit einer Lebensdauer von etwa 3000 Stunden ohne eine solche innere Nickel-Aluminidschicht.

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1 Blatt Zeichnungen

Claims

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1. Verfahren zum Aufbringen eines Doppelblechüberzuges auf ein Substrat, gekennzeichnet durch folgende Stufen:

a) Anbringen eines inneren Aluminiumblechüberzuges an dem Substrat, so dass sich der Überzug dem Substrat genau anpasst,

b) Anbringen eines äusseren Blechüberzuges aus MCr (AI, Y, Ta) an dem Substrat, das bereits den inneren Aluminiumblechüberzug trägt, in einer solchen Weise, dass der äussere Blechüberzug, der korrosionsbeständig ist, den inneren Blechüberzug vollkommen einhüllt und abdichtet,

c) Anordnen des mit den beiden Blechüberzügen versehenen Substrates in einem deformierbaren Behälter,

d) Füllen des Behälters mit einem Glasmedium zum Übertragen des Druckes, so dass das von den beiden Blechüberzügen umgebene Substrat vollkommen damit umgeben ist,

e) luftdichtes Abdichten des Behälters und

0 Diffusionsverbinden der Blechüberzüge mit dem Substrat mittels eines in der Wärme ausgeführten isostatischen Pressens, wobei die Temperatur anfänglich unterhalb des Schmelzpunktes des Aluminiums gehalten wird, man den Druck erhöht, um einen innigen Kontakt des inneren Blechüberzuges mit dem Substrat und dem äusseren Blechüberzug zu erreichen und dass man dann die Temperatur bis zu einem Maximum von 1200°C erhöht, während man den Druck aufrechterhält, bis sich das Aluminium völlig umgesetzt hat und erstarrt ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat aus einer Superlegierung besteht.

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PATENTANSPRÜCHE

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Superlegierung eine Legierung auf Nickelgrandlage ist.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat eine konkav/konvexe Konfiguration aufweist.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat eine Turbinenschaufel ist.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der innere Blechüberzug eine Dicke von 0,012 bis 0,075 mm und der äussere Blechüberzug eine Dicke von 0,125 bis 0,75 mm aufweist.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der äussere Blechüberzug im wesentlichen aus 15 bis 50 Gew.% Chrom, 0 bis 6 Gew.% Aluminium, 0 bis 3 Gew.% Yttrium, 0 bis 5 Gew.% Tantal und als Rest aus Eisen, Kobalt oder Nickel besteht.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der äussere Blechüberzug die Zusammensetzung

Fe 25Cr-4Al-lYhat.

9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der äussere Blechüberzug die Zusammensetzung Ni-50Cr hat.

10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das isostatische Pressen in der Wärme gemäss den Bedingungen der Temperatur, des Druckes und derZeit nach Fig. 1 ausgeführt wird.

Ein Problem bei modernen Gasturbinen für Industrie-Flugzeug- und Marine-Anwendung ist die Oberflächenstabilität der aus Superlegierungen bestehenden Turbinenkomponenten. Bei der Verbrennung schwerer Brennstoffe werden stark korrosive Substanzen erzeugt, die bei hohen Temperaturen und langen Gebrauchszyklen ausserordentlich hohe Anforderungen an die Materialauswahl stellen. Es wird zunehmend schwieriger, allein durch Legierungsmodifikation des Grundmetalles sowohl die erforderliche Kriechbruchfestigkeit als auch gute Korrosionsbeständigkeit zu erzielen. Man hat daher verschiedene Überzugssysteme entwickelt, um ein Substrat, d.h. einen Grundkörper aus Superlegierung mit einer entsprechenden Schutzoberfläche zu versehen, z.B. indem man eine Turbinenschaufel oder -düse mit einem auch bei hohen Temperaturen gegen Oxidation und Korrosion beständigen Überzug versieht.

Durch Entwicklung von Verfahren zum Diffusionsverbinden von Überzügen mit konvex/konkaven Substraten, wie Flugzeugtragflächen oder Turbinenschaufeln, wurden erhebliche Fortschritte erzielt. So ist z.B. in der US-PS 3 928 901 ein Verfahren beschrieben, bei dem ein Blechüberzug in der Kälte isostatisch zu einer dichten Haut auf dem Substrat verpresst wird. In der US-PS 3 904 101 ist ein Überzugsverfahren beschrieben, bei dem man den Raum zwischen Überzug und Substrat evakuiert, alle Nähte vakuumlötet und danach Überzug und Substrat in einem Autoklav unter Verwendung von gasförmigem Medium mit erhöhter Temperatur und Druck diffusionsverbindet. Ferner ist in der US-PS 3 962 939 ein Verfahren beschrieben, bei dem man alle Nähte eines Vorproduktes aus Blechüberzug und Substrat maskiert, das Vorprodukt mit Glasteilchen umgibt und in der Wärme eine Diffusionsverbindung erzeugt, indem man das Glas unter isostatischem Druck zum Schmelzen bringt. Die bisherigen Verfahren zum Aufbringen solcher Überzüge auf konvex/konkave Substrate ergaben nur eine einzige Überzugsschicht.

Andererseits sind zum Schutz von Gegenständen aus Superlegierung gegen Hochtemperaturoxidation und Korrosion Beschichtungsmethoden mit bestimmten hochwertigen Legierungen bekannt, die allgemein Chrom und ein Metall (M) aus der Gruppe Eisen, Kobalt und Nickel enthalten. Diese in der Patentliteratur auch unter der Bezeichnung «MCrAlY» bekannten Legierungen enthalten häufig ausserdem noch Aluminium, Yttrium oder ein Metall der Gruppe der Seltenen Erden oder Tantal und werden hier als MCr(Al,Y,Ta) bezeichnet; sie umfassen insbesondere auch Legierungen der Typen FeCrAlY, CoCrAlY, NiCrAlY, FeCrY, NiCr und CoCrAlYTa mit den nachfolgend genannten Zusammensetzungsbereichen.

Weitere bekannte Verbesserungen wurden mit mehrfachen Überzügen erzielt, z.B. gemäss US-PS 3 873 347 durch Überziehen eines Substrates aus Superlegierung mit einem MCr(Al,Y,Ta)-Überzug durch Vakuumbedampfen und anschliessende Bildung einer aluminierten Deckschicht; bei dem in der US-PS 3 874 901 beschriebenen ähnlichen Verfahren wird die Aluminiumdeckschicht durch Abscheidung aus der Dampfphase gebildet. In der US-PS 3 649 225 ist ein Verbundüberzug beschrieben, bei dem auf dem Substrat aus Superlegierung eine chromreiche oder aus Chrom bestehende Innenschicht und eine äussere MCr(Al,Y,Ta)-Schicht liegt. Die US-PS 4 005 989 beschreibt das Überziehen eines Substrates aus Superlegierung mit einer inneren Aluminid-Schicht und das nachfolgende Aufbringen eines Decküberzuges aus MCr(Al,Y,Ta).