CH648603A5 - Verfahren zum erzeugen einer korrosionsfesten beschichtung auf einem metallenen gegenstand. - Google Patents

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CH648603A5 CH5793/80A CH579380A CH648603A5 CH 648603 A5 CH648603 A5 CH 648603A5 CH 5793/80 A CH5793/80 A CH 5793/80A CH 579380 A CH579380 A CH 579380A CH 648603 A5 CH648603 A5 CH 648603A5
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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen einer korrosionsfesten Beschichtung auf einem metallenen Gegenstand, bei welchem auf dem Gegenstand mittels eines physikalischen Aufdampfverfahrens eine ei ste Beschichtung als Überzugsbeschichtung aufgetragen und auf dieser eine zweite Beschichtung aufgetragen wird. Eine beispielsweise Anwendung ist das Beschichten von metallenen Gegenständen mittels Diffusionsbeschichtungen und insbesondere das Beschichten von Bauteilen von Gasturbinenanlagen, beispielsweise die Turbinenschaufeln und Einlassleitbleche, bzw. die Laufrad- und Leitradschaufeln von Gasturbinenanlagen, um deren Hochtemperatur-Korrosionsfestigkeit zu verbessern.
Frühere warmfeste Nickellegierungen, die zum Herstellen von Turbinenschaufeln verwendet worden sind, weisen einen hohen Prozentanteil von Chrom auf (z B. 20 Gew.-%) und beruhen hauptsächlich auf der Bildung von einer Chrom-oxydhaut zum Erzielen der Korrosionsfestigkeit. Solche Legierungen sind sehr widerstandsfähig, sowohl gegen Oxydation als auch gegen Sulphidierung.
Jüngere Legierungen, die dazu bestimmt sind, den anspruchsvolleren Arbeitszuständen zu entsprechen, die durch höhere Anlageleistungen und dem Bedürfnis nach erhöhter Lebensdauer bedingt sind, haben nun die Zusammensetzungen geändert und ihr Chromanteil kann so wenig wie 5 % betragen.
Die Korrosionsfestigkeit von Legierungen dieser Art ist verhältnismässig klein und im allgemeinen ist es notwendig, auf Schutzbeschichtungen zurückzugreifen.
Beschichtungen, die durch die sogenannten Einsatz-Alu-minisierverfahren erzeugt sind, sind sehr verbreitet in der Verwendung und Beschichtungen, die durch die weitgehend ähnlichen Verchromungs- und Silikonisierungsverfahren erzeugt worden sind, sind zu einem kleineren Ausmass ebenfalls verwendet worden. Diese Beschichtungen weisen einen äusserst guten Widerstand gegen Oxydation auf.
Aluminid-Beschichtungen neigen jedoch dazu, einem Angriff durch Sulphidierung unterworfen zu sein, welches bei solchen Gasturbinenanlagen unterwünscht ist, die in einer Meerwasserumgebung verwendet werden, bei welcher Umgebung die Korrosion, die durch das Meerwassersalz beschleunigt ist, sehr stark sein kann, wobei sehr zahlreiche und oft kompliziert verlaufende Zersetzungsvorgänge durch verunreinigte, heisse Gasströme auftreten. Weiter sind diese bei tiefen Temperaturen zusätzlich brüchig.
Bei allen oben erwähnten Verfahren wird eine auf Diffusion aufgebaute Wechselwirkung mit den Legierungen des Substrates aufgebaut und dieses kann die mechanischen Eigenschaften der letzteren beeinträchtigen, insbesondere indem die die Belastungen tragenden Querschnittsflächen verkleinert werden, welche Erscheinung im Falle dünnwandiger Bauteile, beispielsweise Turbinenschaufeln mit inneren Kühlkanälen, oder bei vorlaufenden oder nachlaufenden Schaufelkantenabschnitten sehr bedeutsam sein kann.
Beschichtungen, welche beispielsweise mittels physikalischer Aufdampfverfahren (pvd) aufgetragen werden, beruhen nicht auf einer auf Diffusion beruhenden Wechselwirkung für das Bilden der eigentlichen Beschichtung selbst und der Verlust an mechanischen Eigenschaften ist klein, obwohl solche Beschichtungen eine begrenzte Diffusion zwischen Überzug und Substrat bedingen, um ein gutes gegenseitiges Haften sicherzustellen. Legierungen, die für eine Verwendung als Beschichtungen auf Werkstoffen auf Nickelbasis zweckdienlich sind, können in einer solchen Weise hergestellt werden, dass sie einen guten Widerstand gegen eine auf Suphidierung beruhende Korrosion aufweisen. Zudem sind sie bei tiefen Temperaturen duktiler als Aluminid-Überzüge.
Jedoch können solche Beschichtungen ihrerseits in der Struktur der Beschichtung unerwünschte Eigenschaften aufweisen. Es ist bekannt, dass aufgesprühte Beschichtungen porös sind (als Folge eines Schrampfens im Falle von Plasma-aufgesprühten Überzügen oder aufgrund eines nur teilweisen Schmelzens und Erstarrens im Falle von mit Flammsprühen aufgetragenen Beschichtungen, sie neigen dazu, rauhe Oberflächengüten aufzuweisen, welche sie aus aerodynamischen Gründen für eine Verwendung auf Turbinenschaufeln unannehmbar machen, und es können sich Mikrorisse etwickeln, die von der Aussenoberfläche der Beschichtung des Substrates aus verlaufen. Diese Eigenschaften-können zu beschleunigt auftretenden Korrosionszerstörungen von Bauteilen führen und insbesondere erhöhen eine Porosität und eine Oberflächenrauhigkeit die Möglichkeit, dass korrosive Ablagerungen, wie beispielsweise Oxydablagerungen eingefangen werden.
Die Dichte solcher Beschichtungen kann durch eine Wärmebehandlung bei einer sehr hohen Temperatur verbes-
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sert werden, jedoch wird ein solches ziemlich sicher eine nachteilige Auswirkung auf die mechanischen Eigenschaften des Substrates zur Folge haben.
Die Erfindung richtet sich auf das Schaffen von verbesserten Überzügen, wobei die Vorteile von überdeckenden Beschichtungen mit denen, die durch eine Aluminisierung oder ähnlichen Verfahren aufgetragen werden, kombiniert werden, indem pulsierende chemische Aufdampfverfahren verwendet werden, wie beispielsweise in der BP-Schrift Nr. 1 549 845 offenbart sind.
Gemäss der Erfindung wird ein metallener Gegenstand zuerst mittels eines physikalischen Aufdampfverfahrens mit einer Beschichtung überdeckt und danach zusammen mit einem teilchenförmigen Einsatzstoff, enthaltend Überzugstoff und ein Halogenid-Aktivierungsmittel, in einer Kammer eingeschlossen, wobei der Druck eines chemischträgen Gases, eines Reduktionsgases oder eines Gemisches der beiden Gase innerhalb der Kammer zyklisch geändert wird, währenddem der Inhalt der Kammer bei einer Temperatur gehalten wird, die für ein Überführen von Beschichtungsstoff auf die Oberfläche des Überzuges genügend ist, um mit diesem eine Diffusionsbeschichtung zu erzeugen. Bei einem Ausführungsbeispiel weist der Gegenstand eine Nickellegierung auf, ist der erste, d.h. überdeckende Überzug eine Nickelchromlegierung mit einem verhältnismässig hohen Chromanteil, und der Beschichtungsstoff Aluminium.
Mit Vorteil wird der erste Überzug mittels eines Plasma-Bogen oder mittels eines Flammspritzens aufgebracht. Nachfolgend wird nun ein Beispiel der Erfindung beschrieben.
Eine Gasturbinenschaufel, die aus einer Nickellegierung hergestellt war, welche als nominale Zusammensetzung Ni-13,5/16% Cr-0,9/1,5% Ti-4,2/48% Al-18/22% Co-4,5/5,5% Mo-0,2. C enthielt, wies einen überdeckenden,
also ersten Überzug aus Co Ni Cr Al Y entsprechend der Formel Co-25 Cr-12,5 Al-0,35% Y, welcher mittels eines bekannten Plasma-Bogen-Sprühverfahrens aufgetragen worden ist.
Bei diesem Verfahren erhitzt ein Gleichstrom-Lichtbogen ein Trägergas (Argon), in dem eine Plasmaentladung aufrechterhalten wird, so dass ein Gasstrom mit sehr hoher Strömungsgeschwindigkeit erzeugt wird. Der die Beschichtung zu bildende Stoff wird in Form eines Metallpulvers in den Bogen unmittelbar vor einer Auslassdüse eingeführt, wobei dann die Metallteilchen geschmolzen und darauf gegen die Turbinenschaufel geschleudert werden. Sobald sie auf der Oberfläche der Schaufel auftreten, haften die geschmolzenen, d.h., schmelzflüssigen Teilchen daran an, um eine dichte, einstückig gebundenen Beschichtung zu bilden, die eine Oberflächengüte in der Grössenordnung von (200-300) X 25,4 Mikro- mm aufweist. Es können auch andere hoch-temperaturfeste, kriechfeste Kobalt-, Nickel- und Eisenlegierungsbauteile in dieser Weise mit einer Beschichtung versehen werden, wobei alternative Stoffe zum Auftragen zur Bildung der Beschichtung Ni-37Cr-3Ti-2Al, Co Cr Al Y und M Cr Al Y (wobei M Fe, Ni oder NiCo enthalten kann) aufweisen. Die zum Erzeugen der Beschichtung verwendeten Zusammensetzungen müssen nicht Y oder andere seltene Erden enthalten.
Auch können keramische Stoffe, beispielsweise Zirkonate in dieser Weise aufgetragen werden.
Darauf wurde die mit dieser Beschichtung überdeckte Schaufel in einen Einsatzstoff eingebettet, welcher ein pul-verförmiges Gemisch aus Aluminium, A1F3 und A1203 enthielt. Diese Einsatzanordnung wurde dann in eine lecksichere Kammer eingeschlossen, welche einen Teil eines elektrisch beheizten Ofens bildet und mit einer Hilfsvorrichtung verbunden war, die dazu diente, den in der Kammer vorhandenen Druck zyklisch zu ändern. Diese Hilfsvorrichtung hat eine Zufuhr für Argon enthalten, eine Vakuumpumpe sowie eine zweckdienliche Anordnung von Ventilen.
Darauf wurde die Kammer mittels der Vakuumpumpe wirksam evakuiert, die in der Kammer vorherrschende Temperatur auf einen Wert von 900°C gebracht und die Ventile derart gestellt, dass während einer Zeitspanne von 3 Sekunden ein Strom Argon in die Kammer eintrat, wobei der Druck von 6 Torr bis zu 28 Torr angehoben wurde, welcher Druckwert während einer Zeitspanne von 20 Sekunden beibehalten wurde wobei dann ein Ausstossen während einer Zeitspanne von 7 Sek. durchgeführt wurde, um wieder den tieferen Druckwert zu erreichen. Dieser Umlauf wurde darauf wiederholt und das Verfahren während einer Zeitspanne von 5 Std. durchgeführt.
Nach dem Abkühlen, nachdem sie entfernt wurde, ergab eine Überprüfung, dass die Schaufel gleichförmig mit einer aluminisierten Schicht überzogen war. Eine Prüfung zeigte, dass das Aluminium in die Poren der Überzugsschicht eingedrungen war und sich darin umgesetzt hatte, um Ni Al und CoAl förmige intermetallische Gemenge bei der Aus-senfläche zu bilden. Die Beschichtung, die sich daraus ergab, war weitgehend undurchlässig, war mit dem Substrat diffusionsverbunden und aerodynamisch gleichförmig. Das Ausmass der Wechselwirkung der Diffusion mit der Legierung des Substrates war überdies merkbar weniger im Vergleich mit dem Fall, wenn ein Aluminisieren unmittelbar auf das Substrat ausgeführt wird.
Das Verfahren kann je nach Wunsch variiert werden, um durch Diffusion haftende Beschichtungen mittels Verchromen, Silikonisieren, Borisieren, herzustellen, wie das in der GB-PS Nr. 1 549 845 offenbart ist, wobei das Halogenid-Aktivierungsmittel vorteilhaft bei den hierin genannten Beschichtungstemperaturen eine kleine Verdampfungsfähigkeit aufweist.
Zusammengesetzte Beschichtungen, die gemäss der vorliegenden Erfindung ausgebildet sind, sind insofern vorteilhaft, dass bei solchen Bereichen ein Korrosionsschutz erzeugt ist, welche üblicherweise nicht mit einer Beschichtung versehen werden können, wenn geradlinig verlaufende bzw. in Schusslinienrichtung verlaufende Verfahren verwendet werden, beispielsweise Plasma-Aufsprühverfahren, dies einschliesslich innengelegene Kanäle und Verbindungsstellen bei Schaufelfüssen oder Schaufelköpfen, insbesondere bei Verbindungsstellen mit Deckbändern bei Gasturbinenschaufeln.
Bauteile mit aluminisierten, zusammengesetzten Beschichtungen, wie oben beschrieben, wurden während Zeitspannen bis zu 2000 Std. bei einer Temperatur von 850°C oxydierenden Zuständen bzw. Umgebungen ausgesetzt, ohne dass irgendwelche Anzeichen von Beschädigungen auftraten und verchromte Beschichtungen haben in gleicher Weise während 2000 Std. laufenden Prüfungen bestanden. Bauteile mit aluminisierten zusammengesetzten Beschichtungen haben auch zyklischen Oxydationsprüfungen mit Temperaturänderungen von Raumtemperatur zu 1150°C und zurück während einer Zeitdauer von 2000 Std. überstanden. Proben mit verchromten, zusammengesetzten Beschichtungen wurden Korrosionsprüfungen unterworfen, die auf einer auf Salz beruhenden Beschleunigung beruhten und nach einer Zeitdauer von 1200 Std. bei einer Temperatur von 750°C und bei einer Zeitdauer von 500 Std. bei 850°C haben diese Prüflinge kein Anzeichen irgendwelcher Beschädigung gezeigt.
In allen Fällen sind mittels eines Plasma-Verfahrens aufgesprühte Beschichtungen lange bevor ähnliche Beschichtungen zerstört worden, welche mittels eines Pulses cvd oder ernes mit tiefem Druck verlaufenden Verchromens behandelt worden sind.
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Claims (9)

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1. Verfahren zum Erzeugen einer korrosionsfesten Be-schichtung auf einem metallenen Gegenstand, bei welchem auf dem Gegenstand mittels eines physikalischen Aufdattipf-verfahrens eine erste Beschichtung als Überzugsbeschich-tung aufgetragen und auf dieser eine zweite Beschichtung aufgetragen wird, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Beschichtung durchgeführt wird, indem der erstbeschichtete Gegenstand zusammen mit einem teilchenförmigen Einsatzstoff, enthaltend Beschichtungsstoff und ein Halogenid-Ak-tivierungsmittel in einer Kammer eingeschlossen wird, und dass der Druck eines chemischträgen Gases, eines Reduktionsgases oder eines Gemisches der beiden Gase innerhalb der Kammer zyklisch geändert wird, währenddem der Inhalt der Kammer bei einer Temperatur gehalten wird, die für ein Überführen des Beschichtungsstoffes vom Einsatzstoff auf die Oberfläche der ersten Beschichtung genügend ist, um mit dieser eine Diffusionsbeschichtung zu erzeugen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Gegenstand eine Nickellegierung aufweist und dass die erste Beschichtung eine Legierung mit verhältnismässig hohem Chromanteil ist.
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PATENTANSPRÜCHE
3. Verfahren nach Ansprach 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der im Einsatzstoff enthaltene Beschichtungsstoff Aluminium ist.
4. Verfahren nach Ansprach 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der im Einsatzstoff enthaltene Beschichtungsstoff Chrom, Bor oder Silizium ist.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Beschichtung Co Cr Al Y oder M Cr Al Y enthält, wobei M Fe, Ni oder Ni und Co aufweist.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Beschichtung in Gew.-% 25 Co; 12,5 Cr; 0,35 Al; Y enthält.
7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Beschichtung in Gew.-% 37 Ni; 3 Cr; 2 Ti; Al enthält.
8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Beschichtung ein Zirkonat ist.
9. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das physikalische Aufdampfverfahren zur Bildung der ersten Beschichtung ein Plasma-bogenbeschichten oder ein Flammspritzen ist.
CH5793/80A 1979-07-30 1980-07-29 Verfahren zum erzeugen einer korrosionsfesten beschichtung auf einem metallenen gegenstand. CH648603A5 (de)

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