CZ20003057A3 - Způsob nanášení povlaků na substrát - Google Patents

Abstract

Na součásti z vysoce legovaných slitin nebo z keramických materiálů se nanáší povlak aluminidu vzácného kovu nanášením suspenze vzácného kovu a suspenze hliníku, načež se zahřátím odstraní těkavý materiál.

Description

Oblast techniky

Vynález se obecně týká povlaků pro substráty. Zejména pak je směrován na způsoby nanášení ochranných povlaků na substráty používané při vysokých teplotách.

Dosavadní stav techniky

Pro různé součástky, které jsou vystaveny vysoké teplotě okolí jsou často vybírány jako materiály vysoce kvalitní slitiny. Jako příklad lze uvést lopatky turbíny a ostatní části turbínových motorů, které jsou často vytvořeny z vysoce legovaných slitin na bázi niklu, protože potřebují udržet svou integritu při teplotách alespoň kolem 1000°C až 1150°C. V mnoha příkladech musí být tyto slitiny pokryty ochrannými povlaky, které v porovnání se samotnou slitinou zajišťují větší odolnost proti korozi a oxidaci při vysokých teplotách.

Běžný příklad materiálu pro ochranné povlaky pro lopatky turbínového motoru je sloučenina kov-hliník, jako je například platin-hliník. Tento typ materiálu je obvykle nanášen v několika krocích. Například je platina nejprve nanesena elektrolytickým pokovováním na lopatku při použití roztoků P-soli nebo Q-soli. Ve druhém kroku je platinová vrstva upravena difúzí hliníkovou parou za účelem vytvoření sloučeniny platina-hliník.

Když se takovýto ochranný povlak opotřebí nebo zničí, musí být opatrně opraven, neboť přímé vystavení pod ní ležícího substrátu nadměrné teplotě může časem způsobit selhání součástky a nepříznivé ovlivnění různých částí motoru. Povlaky musí být často opravovány několikrát během doby životnosti součástky. Generální oprava ochranného povlaku obvykle zahrnuje kompletní odstranění tohoto povlaku, načež následuje nanesení nové vrstvy materiálu.

V mnoha situacích vyžadují opravu některé části (to je lokální oblasti) ochranného povlaku, zatímco zbytek povlaku zůstává neporušen. Například části ochranného povlaku sloučeniny platína-hliník mohou být ochuzeny o hliník - zejména když je součástka vystavena po delší dobu oxidační atmosféře. V případě substrátů z vysoce legovaných slitin může být ztráta hliníku z přilehlého ochranného povlaku škodlivá pro integritu vysoce legované slitiny, protože při žádaných poměrech ochranná vrstva poskytuje ochranu proti tepelné oxidaci při užití zvýšených teplot.

Pro selektivní místní opravu je obvyklý způsob kompletního odstranění povlaku sloučeniny platína-hliník často neefektivní. Takový postup vyžaduje více kroků elektrolytického pokovování, následované procesem hliníkování jako je hliníkování v prášku. Kromě toho, že tento tradiční způsob je pracný a časově náročný, může někdy být pro součástku škodlivý. Například opakované odstraňování a opětovné povlékání ochrannými vrstvami může poškodit substrát, zažrat se do jeho tloušťky a tím změnit kritické rozměry součásti.

Jsou tedy žádoucí nové technologie pro nanášení povlaků sloučenin kov-hliník na substráty. Tyto technologie by měly být účinné a pracovně nenáročné. Měly by také být použitelné pro povlékání jen vybraných částí substrátu, jako například pouze těch částí, které vyžadují opravu. Navíc by tyto nové technologie měly uchovávat integritu povrchu substrátu.

Podstata vynálezu

V jednom ohledu je podstatou vynálezu způsob vytváření vrstvy s obsahem kovu na substrátu, sestávající z následujících kroků:

(a) nanesení kovové kaše na substrát, a (b) ohřátí této kovové kaše za teplotních a časových podmínek, které jsou postačující pro odstranění v podstatě veškerého těkavého materiálu z kaše a pro vytvoření vrstvy, která obsahuje kov.

Kovová kaše je nanesena na substrát různými postupy, jako je nastříkání. Pro účely vynálezu je vrstva kovové kaše oddělena od vrstvy kovového hliníku nebo hliníkové kaše. Za účelem odstranění těkavých složek může být aplikována vícekrát s tepelným zpracováním mezi každou aplikací. Vrstva kovu je pak obvykle podrobena difusnímu tepelnému zpracování. Typickým kovem používaným při tomto způsobu je platina. Substrátem je často vysoce legovaná slitina jako je vysoce legovaná slitina na bázi niklu, používaná pro turbínové motory.

V jiném provedení je na kovovou kaši nanesena hliníková kaše, před nebo poté co byl kov tepelně zpracován na určitý stupeň. Difúzní tepelné zpracování po nanesení hliníku má za • · · · • · · · ·

• · · • · · • · · • · · následek vytvoření povlaku, který obsahuje sloučeninu kovhliník. Povlak může rovněž obsahovat sloučeninu založenou na hliníku, kovu a alespoň jednom kovovém prvku v substrátu.

V ještě dalším provedení je nanesení kovové kaše následováno tepelným zpracováním pro odstranění těkavých látek a poté difúzním tepelným zpracováním. Hliník je pak nanesen difúzním tepelným zpracováním hliníkových par.

Vynález se rovněž týká způsobu opravy zničených nebo poškozených povlaků sloučeniny kov-hliník nanesených na substrát, kde tento způsob zahrnuje následující kroky:

(i) odstranění poškozeného nebo zničeného povlaku z vybrané oblasti na substrátu, a poté (ii) nanesení přídavného povlakového materiálu na vybranou oblast na substrátu, pomocí (I) nanesení hliníku a kovové kaše na vybranou oblast namísto povlaku odstraněného v kroku (i), a (II) ohřátí hliníku a kovové kaše při tepelných a časových podmínkách postačujících pro odstranění v podstatě veškerého těkavého materiálu z naneseného hliníku a kaše a pro vytvoření vrstvy sloučeniny kov-hliník ve vybrané oblasti. Hliník je obvykle ve formě hliníkové kaše nanesen na vybranou oblast po nanesení kovové kaše (jako je platina). Tento způsob je vhodnou technologií pro rychlou a efektivní opravu povlaků sloučeniny platina-hliník jako jsou ty, které nejsou lehce přístupné pro jiné technologie oprav.

Níže jsou rovněž popsány související výrobky, společně • · · · · s dalšími detaily týkajícími se různých význačných rysů tohoto vynálezu.

Příklady provedení vynálezu

Jako substrát použitý pro předkládaný vynález může být použito množství různých materiálů, například keramika, směsi, kovy nebo kovové slitiny, avšak tímto výčtem není vynález omezen. Výraz založený na kovu ve vztahu k substrátu v sobě zahrnuje odkaz na ty materiály, které jsou prvotně vytvořeny z kovu nebo slitin kovu, ale které mohou taktéž zahrnovat některé nekovové složky, jako je keramika, intermetalické fáze nebo přechodné fáze. V jednom provedení je substrátem žáruvzdorná slitina, například vysoce legovaná slitina, pro kterou je příznačné, že má provozní teplotu až do zhruba 1000 - 1150°C. Vysoce legované slitiny jsou popsány v různých pramenech, jako je US patent 5,399,313 a4,116,723, na něž jsou zde uvedeny odkazy. Vysokoteplotní slitiny jsou rovněž všeobecně popsány v Kirkově-Othmerově Encyklopedia of Chemical Technology, 3.vydání, svazek 12, strany 417-479 (1980) a svazek 15, strany 787-800 (1981).

Pro ilustraci je možné uvést vysoce legované slitiny na bázi niklu, označené obchodními jmény Inconel ®, Nimonic ®, Rene ®, (jako slitiny Rene®80~, Rene®95 ), a Udimet®. Typ substrátu se může široce měnit, ale často je ve formě části proudového motoru, jako například lopatka turbíny, vedení vstřikovací trysky, vstřikovací tryska, lamela, profil křídla nebo vložka spalovací komory. Jako jiný příklad může být substrátem hlava pístu vznětového motoru nebo jakýkoli jiný povrch vyžadující ochranný povlak. V některých případech může být tloušťka substrátu docela malá, například méně než 0,25 cm.

• ·· ♦ ·· ·· ·· ··· · ··· · · · · · ··· · · ···· ···· · ·····« ··· · * · · · · ··· ·· ··· ···· «· ··

Výběr kovu pro realizaci předkládaného vynálezu závisí na mnoha faktorech, jako je typ součástky, která má být ochrannou vrstvou pokryta a prostředí, ve kterém bude tato součástka použita. Důležitá může rovněž být obvyklá cena konkrétního kovu. Obvykle je kov vybírán ze skupiny sestávající ze zlata, platiny a paladia. Často je preferována platina v případech, kdy má být povlak nanesen na různé součásti turbínového motoru, jako jsou lopatky. Kov může být použit v různé formě jako jsou částečky a vločky, přičemž nejčastěji jsou používány částečky. Velikost částeček bude záviset částečně na konkrétním kovu a také na způsobu, jakým bude kaše na substrát nanášena. Částečky mají obvykle průměr menší než zhruba 25 mikronů a velmi často menší než zhruba 10 mikronů.

V souladu s jedním provedením je na substrát nejprve nanesena kovová kaše, včetně vzácných kovů. Tak jak je zde použit, výraz kaše všeobecně zahrnuje suspensi pevných částeček v tekutině. Kromě samotného kovu obsahuje kaše ještě často tekutý nosič. Výběr nosiče bude záležet na mnoha faktorech jako jsou: rozpustnost kovu a dalších volitelných přísad v nosiči, požadovaná rychlost odpařování během následného zpracování, vliv nosiče na přilnavost kašovitého povlaku k substrátu, schopnosti nosiče smáčet substrát za účelem pozměnění reologie kašovité kompozice, a dále pak rovněž na požadavcích na manipulaci, nákladech, dostupnosti a požadavcích týkající se ochrany životního prostředí a bezpečnosti. Odborníci v dané oblasti umějí vybrat nejvhodnější nosiče při zvažování těchto faktorů. Příklady nosičů, které však tímto nejsou omezeny, obsahují vodu, alkohol jako je etanol a izopropanol, terpen a jeho deriváty jako je terpineol, uhlovodíková rozpouštědla se zavedenými • ·

0 atomy halogenu, jako je methylenchlorid a tetrachlormethan a kompatibilní směsi těchto substancí. Často jsou preferovány deriváty terpenu a jiná rozpouštědla s relativně vysokými hustotami, z důvodu jejich schopnosti snadno udržet částečky kovu v suspensi. Rozpouštědla s nižší hustotou jsou někdy použita se zahušťovadly nebo s protisedimentačními činidly.

Množství použitého tekutého nosiče je obvykle minimální množství postačující k udržení pevných komponent kaše v suspensi. Množství větší než tato úroveň může být použito k úpravě viskozity kašovité kompozice v závislosti na technologii, která bude použita k nanesení této kompozice na substrát. Obecně bude tekutý nosič obsahovat kolem 30% hmotnostních až 70% hmotnostních celé kašovité kompozice. Přídavné množství tekutého nosiče může být použito k úpravě viskozity před aplikací povlaku.

Kovová kaše může rovněž obsahovat jedno nebo více pojiv nebo jiné přísady. Neomezující příklady zahrnují póly(vinyl butyral), polyethylenoxid a různé akrylové pryskyřice, fosforečnany a chromany jakož i jiné organické materiály na vodní bázi nebo na bázi rozpouštědel. Množství přítomného pojidla se bude podle požadavků výrazně měnit, ale obvykle je v rozmezí od zhruba 0.1% váhových do 10% váhových celé kašovité kompozice.

Většina komponentů použitých v kašovité kompozici pro povlaky je dobře známa v oblasti zpracování chemikálií a keramiky. Mnohé jsou popsány v Kirk-Othmerově Encyklopedia of Chemical Technology, 4.vydání, svazek 5, strany 610-613. Příklady zahrnují zahušťovací činidla, dispergovadla (která rozbíjejí vločky v kaši), ztekučovadla, protisedimentační činidla, plastifikátory, změkčovadla, maziva, povrchově aktivní činidla a odpěňovací činidla. Všeobecně mohou být maziva, zhušťovače nebo změkčovadla použita v rozmezí pro každé z nich od zhruba 0,1% váhových do zhruba 10% váhových, s výhodou od zhruba 0,1% váhových do zhruba 2,0% váhových vzhledem k váze celé kašovité kompozice. Odborníci v dané oblasti umí určit bez přílišného úsilí nejefektivnější úroveň pro jakékoli jiné přísady.

Mnoho z platinových kaší je komerčně dostupných a jsou někdy nazývány jako platinové inkousty. Neomezující příklady zahrnují A-4338, A-3788 a A-6101XA, všechny dostupné od firmy Engelhard Corporation of East Newark, N.J. Jiným příkladem je platinový inkoust Platinum Ink #6926 rovněž tak dostupný od firmy Engelhard, který obsahuje mikronové částečky platiny suspendované v terpenu. Některé z těchto inkoustů jsou popsány v US patentech 4,396,480. 5,306,411 a 5,569,633. Vhodné platinové kaše jsou rovněž tak dosažitelné od firmy Johnson Matthey, lne.

Kovové kaše mohou být naneseny na povrch s ochranným povlakem množstvím různých technologií, které jsou známé (viz například Kirk-Othmerova Encyklopedia of Chemical Technology, 4,vydání, svazek 5, strany 606-619 nebo The Technology of Paints, Varnishes and Lacquers, editované C.Martensem, Reinhold Book Corporation, 1968). Kaše mohou být na povrch substrátu naneseny například litím licí břečky, štětcem, máčením, stříkáním, poléváním, válečkem nebo odstředivým litím.

Stříkání (jako je vzduchové nebo bezvzduchové stříkání) je často nejjednodušší cesta pro nanesení kašovitého povlaku na substrát. Viskozita povlaku pro stříkání může být často nastavena například změnou množství použitého tekutého

nosiče. Stříkací zařízení a parametry pro tuto technologii jsou známy, viz například Encyklopedia of Chemical Processing and Design, svazek 53, strana 45 a další, a Surface Coatings - Paints and their Applications,svazek 2, Tafe Educational Books, 1984. Jedním příkladem pistole pro vzduchové stříkání je stříkací pistole Paasche 62, která pracuje s tlakem kolem 5,5 - 6,2 pascal/cm² a vytváří stříkací kužel 2,5 až 5,1 cm, drží-li se stříkací pistole ve vzdálenosti zhruba 12 - 30 cm od substrátu (pracovní odstup). Může být použita široká škála stříkacích pistolí a kaše je obvykle nanášena ve více průchodech (tam a zpět) pistole.

Ve výhodných provedeních je vrstva kovové kaše tepelně zpracována poté, co byla nanesena na substrát (a před volitelným nanesením hliníkové složky). Toto částečné tepelné zpracování může být označeno jako krok odpařování nebo odpařovací stupeň. Výběr tepelné technologie není obvykle kritický. Často je používána běžná pec. Vhodný časově/teplotní rozvrh pro ohřev vrstvy kaše závisí na různých faktorech jako je požadovaná tloušťka povlaku, jednotlivé reologické charakteristiky povlakové kompozice, rychlosti odpařování pro těkavé složky v kašovité kompozici a rychlost smršťování povlaku při odpařování těkavých látek. (Těkavost součástí v kašovité kompozici může být určena různými technikami, jako je diferenciální tepelná analýza (DTA) a tepelná gravimetrická analýza (TGA).

Někdy je kaše postupně zahřívána na teplotu rovnou přibližně bodu varu nejméně těkavé složky. Teplota může být udržována na této úrovni dokud se v podstatě všechny těkavé látky neodpaří. Je-li teplota zvyšována příliš rychle, může rychlé odpařování těkavých složek vést k tvoření bublin, což ·· » 4 ► 4

9 • ····

99 může mít za následek defekty povlaku. Při odstraňování těkavých složek je ohřev obvykle prováděn ve vzduchové atmosféře.

Kovové kaše často zahrnují těkavé složky, které mají značný rozsah bodů varu. V těchto případech je často žádoucí odpařovat těkavé složky ve dvou nebo více úrovních ohřevu, například při první úrovni pro složky s nižším bodem varu a při druhé úrovni pro složky s vyšším bodem varu. Použití vícenásobných úrovní odpařování se projevuje jako zvýšení pevnosti za syrová nanášené vrstvy. Jako všeobecný příklad může být kaše nejprve zahřívána na teplotu v oblasti kolem 100°C až 200°C po dobu zhruba od 5 minut do 120 minut za účelem odstranění složek s nižším bodem varu jako jsou alkoholy. Poté se může teplota zvýšit na druhou úroveň ohřívání při teplotě v rozmezí zhruba 300°C až 400°C po dobu kolem 5 až 120 minut za účelem odstranění (odpařením nebo vypálením) složek s vyšším bodem varu jako jsou mnohá organická pojidla. Všeobecně delší doby ohřevu kompenzují do určité míry nižší teploty, zatímco vyšší teploty kompenzují do určité míry kratší časové periody. (Maximální teplota ohřevu by měla zůstat pod takovou teplotou, která má za následek významnou oxidaci substrátu). Odborníci v dané oblasti jsou schopni určit nejvhodnější časový a teplotní režim pro daný kašovitý systém.

V některých výhodných provedeních je vrstva kovové kaše kovu nanášena alespoň ve dvou nánosech. Použití tenčí podvrstvy se projeví zvýšením pevnosti za syrová pro celou vrstvu po odstranění těkavých látek a rovněž tak zlepšením adheze vrstvy k substrátu. Počet nánosů bude záviset částečně na kompozici kaše a požadované tloušťce celé vrstvy. Pro celkovou tloušťku kovu (po odstranění těkavých ) <

9 složek) v rozmezí zhruba 1 až 10 mikronů jsou často požadovány dva nánosy kaše. Ve výhodných provedeních je tepelné zpracovaní pro odstranění těkavých látek (nebo vícenásobné tepelné zpracování) prováděno po každém nanesení kaše. Někdy je ale možné tepelné zpracování vynechat až do doby po posledním nanesení kaše, jako v případě, když je celkový povlak velmi tenký.

V některých provedeních je kovová vrstva (to je povlak, který vznikne odstraněním těkavých látek z kaše) podrobena difúznímu tepelnému zpracování před volitelným nanesením hliníku. Difúzní tepelné zpracování pro vrstvy obsahující kov je známé. Primární faktory pro volbu nejvhodnější doby a teploty tohoto zpracování jsou (1) čas požadovaný pro vytvoření různých fází hliníku, jako jsou bimetalické a trimetalické sloučeniny hliníku a (2) požadovaná tloušťka difúzní vrstvy. Obvykle je difúzní tepelné zpracování prováděno při teplotě v rozmezí kolem 975°C až 1200°C po dobu kolem 30 minut až 8 hodin. V některých výhodných provedeních je difúzní tepelné zpracování prováděno při teplotě v rozmezí zhruba 975°C až 1000°C po dobu kolem 60 minut až 4 hodin. Difúzní tepelné zpracování může probíhat v atmosféře inertního plynu jako je argon nebo dusík nebo ve vakuu. Někdy je inertní plyn smíchán s vodíkem.

Jak bylo uvedeno výše, může být volitelně na substrát pokrytý kovem nanesen hliník jako kaše. Hliníkové kaše jsou známy a jsou komerčně dostupné. Materiálem je často disperse hliníkového kovového prášku, jako je například zhruba 30 až 50% váhových hliníku ve vodním roztoku. Hliníkový prášek má obvykle částečky o průměrné velikosti menší než 10 mikronů. Mohou být přítomny různé jiné přísady. Například lze použít jedno nebo více pojiv, jako jsou soli chrómu (jako je ♦ ··· ·· ·· dvojchroman), fosforečné soli (například fosforečnan hlinitý) nebo soli molybdenu. Kaše mohou také obsahovat různé formy křemíku. Například může být použit křemičitan alkalického kovu za účelem snížení teploty vytvrzování kaše. Mohou být rovněž zahrnuty modifikátory, které dovolují vytvrzování kaše ve vodou nerozpustnou formu při snížených teplotách. Příklady zahrnují alkanové aminy. Jedním z nelimitujících příkladů vhodné kaše na bázi hliníku pro předkládaný vynález je Alseal 625® od Coatings for Industry, lne. Některé další vhodné kaše jsou popsány v US patentech 4,319,924 - 4,289,652 - 3,248,251 - 3,248,250 - 3,248, 249 a v belgickém patentu č.825,180, na něž je zde odkazováno.

Hliníková kaše může být nanášena na kovem pokrytý substrát jakoukoli výše popsanou technologií. Jako v případě kovové kaše je často s výhodou použito stříkání. Viskozita kaše může být pro efektivní stříkání regulována přídavkem vhodného rozpouštědla, jako je například voda. Odborník v dané oblasti může rovněž vybrat jiné parametry stříkání. Hliníková kaše může být nanášena jako jeden nános, ale často je nanášena jako subvrstvy v alespoň dvou nánosech. Jako v případě kovové kaše bude počet nánosů záviset částečně na složení kaše a požadované tloušťce celé vrstvy. V některých výhodných provedeních je kaše nanášena ve dvou až čtyřech nánosech.

Kromě toho je hliníková kaše obvykle tepelně zpracovávána po nanesení každé subvrstvy za účelem odstranění části vodních složek jako je voda, při současném odstraňování v podstatě všech ostatních těkavých složek, jako jsou pojivá. Pro hliníkové kaše všeobecně popsané výše je obvykle tepelné zpracování prováděno ve vzduchu při teplotě v rozmezí zhruba 70°C až 130°C po dobu kolem 60 minut *· · · · · ♦ « • · · · · · • ·»·*♦· • · · · · · ······« · · · · až 120 minut. Obecně delší časy ohřívání kompenzují do určité míry nižší teploty, zatímco vyšší teploty do určité míry kompenzují kratší doby. V některých provedeních není tepelné zpracování prováděno až do doby kdy jsou naneseny všechny subvrstvy nebo je prováděno po nanesení některých (ale ne všech) subvrstev. Vyloučení některých tepelných zpracování může být žádoucí, je-li každá subvrstva velmi tenká nebo je-li požadována velmi krátká doba zpracování. Obvykle je vhodné provádět tepelné zpracování po každém nanesení subvrstvy, za účelem zlepšení pevnosti za syrová hliníkové vrstvy a rovněž tak zabezpečení odstranění v podstatě všech těkavých látek.

Ve výhodných provedeních se provádí přídavné tepelné zpracování za účelem vytvrzení hliníkového povlaku. Toto zpracování může být prováděno ve vzduchu, vakuu nebo v prostředí inertního plynu nebo v prostředí, které obsahuje směs vzduch/inertní plyn. Jak zde bylo použito, vytvrzování hliníkového povlaku se uskuteční, když (1) jsou veškeré těkavé materiály (včetně vodních složek) v podstatě odpařeny nebo vypáleny a (2) když se vrstva zhustí a získá vyšší pevnost za syrová. Nejvhodnější teplota vytvrzování závisí na mnoha faktorech, jako jsou složky obsažené v nevysušené vrstvě a její tloušťka. Obvykle je teplota vytvrzování v rozmezí zhruba 200°C až 300°C po dobu 1 až 30 minut. Jako v případě jiných tepelných zpracování může nastavení doby vytvrzování dovolit nastavování teploty vytvrzování. Teplota vytvrzování se dosáhne postupným zvyšováním zahřívací teploty od teploty použité v předchozím tepelném zpracování nebo rychlým zvýšením zahřívací teploty.

Hliníková vrstva je poté podrobena difúznímu tepelnému zpracování postačujícímu pro difúzi hliníku do kovového • · · · · · • · · · · • · · · · · • · · · ♦ ···· 8 9 8 9 • · · materiálu. Tím je vytvořena vrstva kov-hliník a je někdy uváděna jako difúzní vrstva. Jak bylo výše uvedeno je tepelné zpracování difúzí známo. Informace týkající se tohoto zpracování lze nalézt v Kirk-Othmerově Encyclopedia of Chemical Technology, 4.vydání, svazek 19, str.371-312 (1996) a svazek 21, strana 12-103 (1997). Difúzní tepelné zpracování je pro hliník obvykle prováděno při teplotě v rozmezí kolem 975°C až 1200°C po dobu 60 minut až 8 hodin. V některých výhodných provedeních je difúzní tepelné zpracování prováděno při teplotě v rozmezí 975°C až 1100°C po dobu 60 minut až 6 hodin. Jako v případě difúzního tepelného zpracování pro kov, může být zpracování pro hliník prováděno v atmosféře s inertním plynem jako je argon nebo dusík nebo ve vakuu. Někdy je inertní plyn smíchán s vodíkem.

Rozumí se, že předkládaný vynález zahrnuje ve vztahu k difúznímu tepelnému zpracování mnoho alternativ, jak při nanášení kovu tak i hliníku. Například je možné jednoduché difúzní tepelné zpracování po nanesení hliníku, to jest vynechání difúzní tepelného zpracování po nanesení kovu. Alternativně lze provádět vícenásobné difúzní tepelné zpracování, jako například jedno po nanesení kovu a jedno po nanesení hliníku. Odborníci umí určit nejvhodnější režim tepelného zpracování, založený částečně na zde popsaných faktorech.

Tloušťka vrstvy kov-hliník bude záviset z velké části na požadovaném konečném použití součástky obsahující substrát. Pro součástku turbínového motoru bude tloušťka obvykle v rozmezí zhruba od 10 mikronů do zhruba 200 mikronů, s výhodou kolem 10 až 30 mikronů.

V jiném provedení vynálezu je hliník nanesen na kovem

» 49 *4 4 · ♦

4

4

4

9 pokrytý substrát difúzním tepelným zpracováním hliníkových par. Takovýto postup je někdy označován jako hliníkování difúzí z par a je v oboru známé. Mohou být použity obvyklé zdroje hliníkové páry jako jsou aktivované prekurzory, jako například fluorid amonný a kysličník hlinitý. Obecně je zpracování hliníkováním difúzí z par prováděno v souladu s podmínkami použitými pro výše popsané difuzní tepelné zpracování hliníkové kaše, na příklad při teplotách v rozmezí zhruba 975°C až 1200°C po dobu 30 minut až 8 hodin. Je jasné, že proces difúze má často za výsledek mezidifúzi mezi hliníkem, kovem a někdy i pod ním ležícím substrátem, jako je materiál na bázi niklu.

V procesu hliníkování difúzí z par mohou být použity změny. Například lze použít postup hliníkování v prášku, kdy je kovem pokrytý substrát ponořen do směsi nebo prášku obsahujícího zdroj hliníku, plnidlo a halogenidový zdroj energie. Při teplotách, které jsou obvykle v rozmezí kolem 700-750°C poskytnou reakce uvnitř směsi páru bohatou na hliník, která kondenzuje na povrchu substrátu. Substrát pak může být podroben difúznímu tepelnému zpracování postačujícímu pro difúzi hliníku do kovového materiálu, jak bylo dříve popsáno.

Jiné příklady technologií, které mohou být použity pro difúzi hliníku do kovového povlaku zahrnují cementování v prášku, technologie vířivého nanášení, chemické pokovování srážením kovových par, elektroforézu a pokovování rozprašováním. Odborníci v oblasti žárovzdorných povlaků jsou seznámeni s různými souvisejícími detaily týkajícími se každého z těchto postupů.

Ještě v jiném provedení pro vytváření povlaku kov-

·· ♦· • · · 4

·· * · hliník je hliník opět ve formě kaše. Hliníková kaše je nejprve kombinována s kovovou kaší za účelem vytvoření směsi. Směs je poté nanesena na substrát jednou z výše popsaných technologií, jako je například stříkáním.

V některých příkladech může být připravena jedna kaše obsahující jak kovovou, tak hliníkovou složku, za použití rozpouštědla nebo rozpouštěcí směsi , která je slučitelná s každou složkou. Alternativně může být jak kovová tak i hliníková složka suspendována v rozpouštědle nebo v rozpouštěcí směsi a výsledné směsi pak mohou být smíchány.

Velmi často jsou komerční hliníkové kaše na vodní bázi, zatímco kovové směsi jsou na bázi organického rozpouštědla. V takovémto případě je důležité aby obě dvě kaše byly před jejich smícháním a nanesením na substrát nějakým způsobem navzájem ”kompatibilizovány. Odborníci v dané oblasti znají různé technologie kompatibilizace různých typů směsí. Jako příklad může být kombinace kaší zředěna velkým množstvím rozpouštědla, například rozpouštědlem na bázi alkoholu, které je alespoň částečně kompatibilní s oběma kašemi. Alternativně lze přidat ke kombinaci kaší přísady, které pracují jako kompatibilizující činidla.

Pro některá výše popsaná provedení může konečné tepelné zpracování, například difúzní tepelné zpracování, mít za následek vytvoření různých sloučenin v nanesené vrstvě. Když je například na substrát nanesena kovová kaše a poté hliník (to je například hliníkováním kaší nebo difúzí z par) a pak následuje jedno nebo více difúzních tepelných zpracování, mohou vzniknout jisté reakce naneseného materiálu s kovovým substrátem. Takto lze vytvořit mnoho sloučenin. Výsledná vrstva může obsahovat sloučeniny nikl-hliník, platina-hliník

a platina-nikl-hliník.

Jiné provedení tohoto vynálezu směřuje ke způsobu oprav poškozeného nebo zničeného povlaku kov-hliník, naneseného na substrátu. Povlak kov-hliník je obvykle platína-hliník. V případě motoru s plynovou turbínou může být oprava povlaku vyžadována během výroby a montáže motoru nebo během jeho generální opravy po delší době provozu. V prvním kroku je z vybraného místa na substrátu odstraněn obvyklým způsobem poškozený povlak, například použitím technologií chemického čištění a odstraňování.

Přídavný nebo nahrazující povlakový materiál je pak aplikován na vybrané oblasti (I) nanesením hliníkové a platinové kaše na vybranou oblast namísto poškozené vrstvy a pak (II) zahříváním hliníkové a platinové kaše za teplotních a časových podmínek postačujících pro odstranění v podstatě veškerého těkavého materiálu z nanesené hliníkové a platinové kaše a k vytvoření vrstvy platína-hliník na vybrané oblasti. Detaily týkající se relevantních způsobů a materiálů byly uvedeny výše. Platinová kaše může být snadno aplikována stříkáním nebo jinými technikami. Hliníková složka je s výhodou nanášena jako kaše, ale může být alternativně nanášena v některé formě nanášení párou. Opravovaná součástka je obvykle vložena do běžné pece nebo do trubkové pece (pro polospojité procesy) za účelem odstranění těkavých složek. Přiměřenost tepelného zpracování může být částečně určena zkoumáním povlaků po jejich ochlazení, pokud se týče vzhledu, adheze nebo • · jiných známých fyzikálních vlastností.

Tento proces opravy je velmi užitečný pro vytváření trvanlivých opravných povlaků na různých substrátech. Tento způsob navíc nevyžaduje rozsáhlé zařízení jako v případě systémů chemického pokovování srážením kovových par (CVD), fyzikálního pokovování srážením kovových par (PVD) nebo metalo-organického chemického pokovování srážením kovových par (MOCVD). Opravy je možné pohodlně provádět na površích, které často nejsou lehce přístupné, jako jsou dutiny uvnitř součástí turbínových motorů.

Vynález je dále směrován na předmět, sestávající z:

(i) substrátu (ii) kovové kaše nanesené na substrát, a (iii) hliníkové kaše nanesené na substrát.

Jak bylo dříve popsáno, odstranění těkavých složek z kaší současně s difúzním tepelným zpracováním má za následek vytvoření substrátu pokrytého vrstvou kov-hliník. Substrátem je obvykle vysoce legovaná slitina a vrstva kov-hliník je často platina-hliník.

PŘÍKLADY

Následující příklady jsou pouze ilustrativní a v žádném případě neznamenají omezení rozsahu nárokovaného vynálezu.

PŘÍKLAD 1

Substrát byl ve tvaru knoflíku o průměru 2,5 cm a byl vytvořen z vysoce legované slitiny na bázi niklu. Povrch substrátu byl očištěn tryskáním ocelového písku, vyčištěn

ultrazvukem v izopropylalkoholu a poté byl usušen. V tomto příkladě byl použitá platinová kaše od firmy Engelhard. Kaše má výrobní označení A6101XA a obsahuje kolem 65% váhových platiny ve formě jemných částeček majících střední průměr menší než zhruba 8 mikronů. Kaše rovněž obsahuje terpineolové rozpouštědlo jakož i různá organická pojivá. Kaše byla zředěna postačujícím množstvím etanolu za účelem vytvoření směsi 50% platinové kaše/50% etanolu.

Platinová kaše byla nanesena na substrát s použitím vzduchové stříkací pistole Paasche 52 při tlaku kolem 4,65 6,2 pascal/cm². Vzdálenost mezi pistolí a substrátem byla kolem 30,5 cm (12 palců). Nanesená vrstva byla sušena ve vzduchu při teplotě 150°C po dobu 15 minut za použití standardní pece a poté při teplotě 300°C po dobu 30 minut za účelem odstranění pojiv.

Poté byl aplikován druhý nános platinové kaše pomocí stříkací pistole a následovalo totéž tepelné zpracování. Substrát opatřený povlakem byl zpracován difúzí v argonu při teplotě 1000°C po dobu 30 minut. Tento postup se několikrát opakoval pro různé knoflíky z vysoce legované slitiny. V každém případě byl platinový povlak pevně spojen se substrátem. Průměrná tloušťka povlaků byla kolem 2,3 mikronů.

PŘÍKLAD 2

Platinová kaše použitá v příkladě 1 byla opět zředěna zhruba 50% váhovými etanolu a nanesena stříkáním na množství knoflíků z vysoce legované slitiny na bázi niklu za podobných podmínek jako v příkladě 1. Pro každý knoflík byla nanesená vrstva sušena při teplotě 400°C po dobu zhruba 30

minut a následně difúzně tepelně zpracována při teplotě kolem 900-1000°C po dobu zhruba 30-60 minut. Obecně byl každý z výsledných povlaků velmi hladký a byl pevně přilnutý k substrátu. Tloušťka povlaku se měnila knoflík od knoflíku od zhruba 2,5 mikronů do zhruba 25 mikronů a byla velmi rovnoměrná pro tenčí vrstvy.

PŘÍKLAD 3

Platinová kaše použitá v příkladě 1 byla opět nanesena na substrát na bázi niklu při různých podmínkách. U jednoho vzorku byl změněn poměr zředění na 65%váhových etanolu/35% váhových platinové kaše. U dalších vzorků se měnil počet průchodů (pod stříkací pistolí) od zhruba 5 do 10 průchodů pro aplikaci kaše. U dalšího souboru vzorků se počet aplikací (tj. cyklů střikání/sušení) měnil od jedné do tří. Výsledkem bylo nanesení v dobré kvalitě u každého vzorku. Tloušťka nánosu platiny se měnila od zhruba 1,9 do 4,3 mikronů.

Různé substráty pak byly difúzně tepelně zpracovány při teplotě 900°C-1100°C za jedné ze tří atmosférických podmínek: argon, směs argon/vodík nebo vakuum. Doba ohřevu byla v rozmezí kolem 30 až 60 minut. V každém příkladě se platinové povlaky metalurgicky svázaly se substrátem.

PŘÍKLAD 4

Příklad 1 byl opakován a následovalo nanesení hliníkové kaše. Byla použita kaše s označením Alseal 625® od firmy Coatings for Industry, lne. Tato kaše obsahuje kolem 38% váhových hliníku spolu s křemíkem, solí chrómu a keramickým pojidlem. Kaše pak byla vzduchově nastříkána na substrát pokrytý platinou tak, že měla tloušťku za mokra kolem 25-50 mikronů.

Vrstva kaše pak byla sušena ve vzduchu po dobu 10 minut při teplotě 80°C. Pak byly na substrát nastříkány dvě přídavné vrstvy kaše (subvrstvy). Po nanesení každé subvrstvy bylo provedeno tepelné zpracování ve vzduchu při teplotě 80°C po dobu 10 minut. Pak byl substrát vytvrzován ve vzduchu při teplotě 260°C po dobu 10 minut a následovalo difúzní tepelné zpracování v argonu při teplotě 1093°C po dobu 4 hodin. Výsledkem byl povlak platina-hliník, který měl vysokou úroveň adheze k substrátu. Tímto způsobem byla difúzně pokryta hliníkem řada substrátů s platinovým povlakem. Průměrná tloušťka povlaků platina-hliník byla v rozmezí kolem 50-100 mikronů.

PŘÍKLAD 5

Byl opakován příklad 2 pro jinou řadu knoflíků a poté následovalo nastříkání hliníkové kaše (byl použit materiál Alseal 625®) na tyto knoflíky. Nanášení bylo provedeno v jedné aplikaci (to je v jedné vrstvě). Vrstva kaše byla poté sušena při 300°C, následovalo difúzní tepelné zpracování (v argonu) po dobu kolem 60 minut při teplotě 1095°C. Difundované povlaky na vzorcích byly rovnoměrné a jejich tloušťka se měnila mezi zhruba 50 mikrony až 100 mikrony.

PŘÍKLAD 6

Byl opakován příklad 5 se změnou postupu. V tomto případě nebyla platinová vrstva difúzně tepelně zpracována (to je jako v příkladě 2) , dokud nebyla nanesena hliníková kaše. Výsledné povlaky měly v podstatě stejnoměrnou tloušťku • 0 0 ·· ·· • 00 0 · ···· * 0 0 0 0 · ·· · 0····· • 0 · · · · ·

0000000 00 00 a byly pevně přilnavé k substrátu.

PŘÍKLAD 7

Byl opakován příklad 2 a následoval běžný postup hliníkování difúzí z par při teplotě kolem 1000°C až 1100°C po dobu zhruba 4 hodin. Opět byly vytvořeny stejnoměrné povlaky, pevně přilnavé k substrátu. Kromě toho měly tyto povlaky mikrostruktury, které byly podobné mikrostrukturám původních povlaků aplikovaných obvyklými postupy, to jest elektrolytickým pokovováním platinou, následovaným hliníkováním difúzí z par.

Některá z výhodných provedení byla uvedena v tomto popise pro účely ilustrace. Předcházející popis nelze brát za omezující pro rozsah vynálezu. V dané oblasti lze najít mnoho různých modifikací, adaptací a alternativ, aniž by byl překročen rámec nárokovaného vynálezu.

Všechny patenty, články a texty zmíněné výše jsou zde zahrnuty jako odkazy.

Claims (25)

PATENTOVÉ NÁROKY

1.

(a) (b)

Způsob vytváření vrstev obsahujících substrátu vyznačující se tím, že následující kroky:

nanesení kovové kaše na substrát, a zahřátí kovové kaše při teplotních a podmínkách postačujících k odstranění v veškerého těkavého materiálu z kaše a vrstvy, která obsahuje kov.

kov na obsahuj e časových podstatě vytvoření

2.

Způsob podle nároku 1 vyznačující se tím, že kovová kaše obsahuje kapalinový nosič.

3. Způsob podle nároku 2 vyznačující se tím, že kapalinový nosič obsahuje alespoň jedno organické rozpouštědlo.

• 4 4 »» 99 99

4. Způsob podle nároku 3 vyznačující se tím, že kovová kaše je nanesena na substrát technologii vybranou ze skupiny sestávající z lití břečky, nanášení štětcem, natírání, nanášení máčením, nanášení poléváním, nanášení válečkem, odstředivého lití, stříkání nebo jejich kombinací.

5. Způsob podle nároku 1 vyznačují c í se tím, že kovová kaše je zahřívána alespoň v první a druhé fázi.

6. Způsob podle nároku 5 vyznačující se tím, že v první fází zahřívání se odstraňují z kaše těkavé složky a druhá fáze zahřívání je difúzní tepelné zpracování.

7. Způsob podle nároku 6 vyznačující se tím, že první fáze zahřívání se provádí při teplotě v oblasti kolem 100°C až 400°C a druhá fáze zahřívání se provádí při teplotě v rozmezí kolem 975°C až 1200°C.

8. Způsob podle nároku 1 vyznačující se tím, že kovová kaše je nanášena alespoň ve dvou aplikacích.

9 99 999 9999 ·9 99 (a) nanesení platinové kaše na substrát, (b) ohřátí platinové kaše na teplotu dostatečně vysokou pro odstranění v podstatě veškerého těkavého materiálu z této kaše, (c) nanesení hliníku na platinovou kaši pomocí tepelného zpracování difúzí hliníkových par při teplotních a časových podmínkách postačujících k vytvoření vrstvy platina-hliník na substrátu.

9 9 9 9 9 9 9 9

9 9 9 9 9 9 9 9 9 9

9 9 99 9 9 9 9 9 9

99 9 9 9 9 9 9

9. Způsob podle nároku 8 vyznačující se tím, že první fáze zahřívání za účelem odstranění těkavých složek z každé kaše se provádí po každé aplikaci.

9 9 · • 9 ·

10. Způsob podle nároku 1 vyznačující se tím, že kovem je platina.

11. Způsob podle nároku 1 vyznačující se tím, že vrstva obsahující kov dále obsahuje hliník, přičemž hliník se získá z hliníkové kaše nanesené na substrát po nanesení kovová kaše.

12. Způsob podle nároku 11 vyznačující se tím, že kovová kaše se zahřívá za účelem odstranění v podstatě veškerého těkavého materiálu v ní obsaženého před nanesením hliníkové kaše.

13. Způsob podle nároku 11 vy z na ču j í c í se tím, že hliníková kaše se za účelem odstranění v podstatě veškerého v ní obsaženého těkavého materiálu zahřívá v první fázi ohřevu po nanesení.

14. Způsob podle nároku 13 vyznačující se tím, že hliníková kaše se po první fázi zahřívání vytvrzuje teplem.

15. Způsob podle nároku 13 vyznačující se tím, že vrstva obsahující kov obsahuje alespoň jednu sloučeninu na bázi hliníku, kovu a kovového prvku v substrátu.

16. Způsob podle nároku 1 vyznačující se tím, že vrstva obsahující kov dále obsahuje hliník, přičemž hliník a kov jsou ve formě jedné kaše, která je nanesena na substrát.

17. Způsob podle nároku 1 vyznačující se tím, že vrstva obsahující kov dále obsahuje hliník, přičemž hliník je získán z hliníkové kaše, která je kombinována s kovovou kaší za účelem vytvoření kompatibilní směsi, před nanesením této směsi na substrát.

18. Způsob podle nároku 1 vyznačující se tím, že vrstva obsahující kov je po kroku (a) tepelně zpracována difúzí hliníkových par.

19. Způsob podle nároku 1 vyznačující se tím, že substrátem je vysoce legovaná slitina.

20. Způsob podle nároku 1 vyznačující se tím, že substrátem je součást turbínového motoru.

21. Způsob opravy poškozeného nebo zničeného povlaku kovhliník naneseného na substrátu vyznačující se tím, že sestává z kroků:

odstranění poškozeného nebo vybrané oblasti na substrátu, zničeného povlaku z (i) • #

Φ · (ii) ·· ♦ · (I) (II)

22.

23.

(a) (b) (c) (d) (e) nanesení přídavného povlakového materiálu na vybranou oblast pomocí nanesení hliníku a kovové kaše na vybranou oblast namísto povlaku odstraněného v kroku (i), a zahřívání hliníku a kaše při teplotních a časových podmínkách postačujících k odstranění v podstatě veškerého těkavého materiálu z naneseného hliníku a kaše a k vytvoření vrstvy, která obsahuje sloučeninu kov-hliník na vybrané oblasti.

Způsob podle nároku 29 vyznačující se tím, že hliník je ve formě hliníkové kaše nanesené na vybranou oblast po nanesení kovové kaše.

Způsob vytvoření vrstvy platina-hliník na substrátu z vysoce legované slitiny vyznačující se tím, že obsahuje kroky:

nanesení platinové kaše na substrát, ohřátí platinové kaše na teplotu dostatečně vysokou pro odstranění v podstatě veškerého těkavého materiálu z kaše, nanesení hliníkové kaše přes platinovou kaši, zahřátí hliníkové kaše na teplotu dostatečně vysokou pro odstranění v podstatě veškerého těkavého materiálu z této hliníkové kaše, a poté zahřátí substrátu pokrytého kaší při podmínkách difúzního zpracování, postačujících pro vytvoření vrstvy platina-hliník na substrátu.

Způsob vytváření vrstvy platina-hliník na substrátu z vysoce legované slitiny vyznačující se tím, že sestává z následujících kroků:

24.

25. Předmět vyznačující se tím, že obsahuje: (i) substrát, (ii) kovovou kaši nanesenou na substrát, a (iii) i hliníkovou kaši nanesenou na kovovou kaši substrát.