DE102007008011A1 - Process for forming an aluminum diffusion layer for oxidation protection - Google Patents

Process for forming an aluminum diffusion layer for oxidation protection Download PDF

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Abstract

Zur Ausbildung einer Aluminium-Diffusionsschicht zum Oxidationsschutz von metallischen Bauteilen durch Bildung einer Aluminiumoxid-Schutzschicht werden die an den nicht zu beschichtenden Flächen maskierten Bauteile zunächst in einem ersten Verfahrensschritt bei niedriger Temperatur an den verbliebenen freien Abschnitten in einer aprotischen Lösung mit Reinaluminium galvanisch beschichtet. Nach Entfernen der Maskierung in einem zweiten Verfahrensschritt werden die Bauteile in einem dritten Verfahrensschritt in einem bestimmten Hochtemperatur-Zeit-Profil wärmebehandelt, wobei Aluminiumbestandteile in die Bauteillegierung und Legierungsbestandteile in die Aluminiumschicht diffundieren. Das Verfahren ist herstellungs- und materialseitig kostengünstig und gewährleistet in den zu schützenden Bauteilabschnitten eine definierte Ausbildung der Aluminium-Diffusionsschicht.To form an aluminum diffusion layer for oxidation protection of metallic components by forming an aluminum oxide protective layer masked on the non-coated surfaces components are first coated in a first step at low temperature on the remaining free sections in an aprotic solution with pure aluminum. After removal of the masking in a second method step, the components are heat-treated in a third process step in a specific high-temperature time profile, wherein aluminum constituents diffuse into the component alloy and alloy constituents in the aluminum layer. The method is inexpensive to manufacture and material and ensures a defined formation of the aluminum diffusion layer in the component sections to be protected.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ausbildung einer Aluminium-Diffusionsschicht zum Oxidationsschutz von metallischen Bauteilen, insbesondere von aus einer Nickel-Basis-Legierung bestehenden Bauteilen einer Fluggasturbine.The The invention relates to a method for forming an aluminum diffusion layer for the oxidation protection of metallic components, in particular of made of a nickel-based alloy existing components of an aircraft gas turbine.

Bestimmte Triebwerksbauteile, wie die mit dem Heißgasstrom beaufschlagten, aus einer Nickelbasis-Legierung bestehenden Rotor- und Statorschaufeln der Turbine, werden während des Betriebes in erheblichem Umfang durch Oxidationsprozesse angegriffen, so dass die Lebensdauer der Schaufeln verringert wird und die Schaufeln ausgetauscht oder repariert werden müssen.Certain Engine components, such as those acted upon by the hot gas flow out Rotor and stator vanes made of nickel base alloy the turbine, while of the operation is attacked to a considerable extent by oxidation processes, so that the life of the blades is reduced and the blades replaced or repaired.

Ein bekanntes Oxidationsschutzprinzip für derartige Bauteile besteht darin, dass durch Anreichern von Aluminium in einem oberflächennahen Bereich des Grundwerkstoffs an der zu schützenden Bauteiloberfläche durch zur Oberfläche diffundierendes Aluminium eine Aluminiumoxid-Schutzschicht gebildet wird, die eine weitere Oxidation verhindern soll.One known oxidation protection principle for such components in that by enriching aluminum in a near-surface Area of the base material on the component surface to be protected by to the surface diffusing aluminum formed an aluminum oxide protective layer which is to prevent further oxidation.

Bei den bekannten Verfahren zur Erzeugung der Aluminium-Diffusionsschicht wird ein begrenzter, im Triebwerksbetrieb dem Heißgasstrom ausgesetzter Abschnitt des betreffenden Bauteils beim sogenannten „Pack-Alitieren" in Aluminiumpulver und bei der chemischen Gasphasen-Abscheidung (CVD-Verfahren, chemical vapour deposition) im Vakuum in ein aluminiumreiches gasförmiges Medium eingebracht, wobei das Aluminium bei Temperaturen im Bereich zwischen 900 und 1100°C in das Metall diffundiert.at the known method for producing the aluminum diffusion layer becomes a limited, in the engine operation the hot gas flow exposed portion of the relevant component in the so-called "pack-Alitieren" in aluminum powder and in the chemical vapor deposition (CVD method, chemical vapor deposition) in a vacuum in an aluminum-rich gaseous medium introduced, the aluminum at temperatures ranging between 900 and 1100 ° C diffused into the metal.

Anwendungsbedingt dürfen bestimmte, mechanisch hoch beanspruchte Abschnitte der Bauteile, wie zum Beispiel der Schaufelfuß einer Turbinenschaufel, nicht beschichtet werden und müssen daher während des Diffusionsvorgangs abgedeckt (maskiert) werden.application Specific allowed to certain, mechanically highly stressed sections of the components, such as for example, the blade foot of a Turbine blade, not coated and must therefore during the Diffusion process covered (masked).

Die bekannten Diffusionsverfahren sind zum einen hinsichtlich des Kostenaufwandes nachteilig, und zwar insofern, als bei der Diffusion aus dem Aluminiumpulver beim Pack-Alitieren in großer Menge Aluminiumschrott anfällt und andererseits die Diffusion im Vakuum gemäß dem CVD-Verfahren apparativ und hinsichtlich des Handling aufwendig ist.The known diffusion methods are on the one hand in terms of cost disadvantageous, namely insofar as in the diffusion from the aluminum powder when pack-Alitieren in large Amount of aluminum scrap is produced and, on the other hand, diffusion in vacuum according to the CVD method and in terms of apparatus the handling is complicated.

Aufgrund der hohen Temperaturen während des Diffusionsvorgangs mit einem maskierten Bauteil ist die Maskierung mit einem hohen Aufwand verbunden. Zudem kann beim Maskieren mit einem Kleber aufgrund der hohen Temperaturen Kohlenstoff aus dem Kleber in das Bauteil diffundieren und dessen Festigkeitseigenschaften negativ beeinflussen.by virtue of the high temperatures during the Diffusion process with a masked component is masking associated with a lot of effort. In addition, when masking with an adhesive due to the high temperatures carbon from the Adhesive diffuse into the component and its strength properties influence negatively.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Ausbildung einer Aluminium-Diffusionsschicht in metallischen Bauteilen anzugeben, das einen verringerten Aufwand erfordert und eine hohe Bauteilqualität gewährleistet.Of the Invention is based on the object, a method for training to provide an aluminum diffusion layer in metallic components, the requires a reduced effort and ensures a high component quality.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einem Verfahren gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Weitere Merkmale zur vorteilhaften Weiterbildung oder zweckmäßigen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus den Unteransprüchen.According to the invention Task with a method according to the features of claim 1. Other features for advantageous development or expedient embodiment of inventive method emerge from the dependent claims.

Der Grundgedanke der Erfindung besteht darin, dass auf den freien Abschnitten der maskierten Bauteile in einer aprotischen Lösung, das heißt in einem wasser- und sauerstofffreien Elektrolyten mit einer Aluminiumanode und dem(n) Bauteil(en) als Kathode, zunächst eine Aluminiumschicht von bestimmter Dicke ausgebildet wird und die Maskierung dann von den Bauteilen entfernt wird, um die Bauteile anschließend nach einem bestimmten Temperatur-Zeit-Profil einer Wärmebehandlung unter Schutzgas oder im Vakuum zu unterziehen, bei der Aluminium in das Bauteil diffundiert und umgekehrt Legierungsbestandteile des Bauteils in die Aluminiumschicht diffundieren und dabei in den beschichteten Abschnitten eine Aluminium-Diffusionsschicht für den späteren Oxidationsschutz ausgebildet wird. Im Unterschied zum Stand der Technik erfolgt die Aluminium-Beschichtung unter der Maskierung in einem ersten Verfahrensschritt bei niedriger Temperatur, während nach dem in einem zweiten Verfahrensschritt vorgenommenen Entfernen der Maskierung in einem dritten Verfahrensschritt das unmaskierte Bauteil zur Ausbildung einer Aluminium-Diffusionsschicht einer Wärmebehandlung bei erhöhter Temperatur unterzogen wird.Of the The basic idea of the invention is that on the free sections the masked components in an aprotic solution, that is in one water- and oxygen-free electrolytes with an aluminum anode and the component (s) as the cathode, initially an aluminum layer is formed of a certain thickness and then the masking of the components is removed, then the components after a specific temperature-time profile a heat treatment under inert gas or in a vacuum, in the case of aluminum diffused into the component and vice versa alloy components of the component diffuse into the aluminum layer and thereby in the coated sections an aluminum diffusion layer for later oxidation protection is trained. In contrast to the prior art, the Aluminum coating under the masking in a first process step at low temperature while after removal made in a second process step the masking in a third process step, the unmasked Component for forming an aluminum diffusion layer of a heat treatment at elevated Temperature is subjected.

Aufgrund der in Beschichtungsstärke und -größe kontrollierten galvanischen Beschichtung ist auch eine definierte Ausbildung der Diffusionsschicht möglich, und zwar ohne Maskierung und ohne die Maskierung den für den Diffusionsvorgang erforderlichen hohen Wärmebehandlungstemperaturen aussetzen zu müssen. Die Anforderungen an die Art und Ausführung der bei der galvanischen Beschichtung nur geringen Temperaturen ausgesetzten Maskierung sind geringer als bei den während der Diffusion erforderlichen Maskierungen. Zudem werden auch Folgeschäden an den Bauteilen verhindert, die durch die Wirkung hoher Temperaturen auf das Material der Maskierung bedingt sind.by virtue of in coating thickness and size controlled Galvanic coating is also a defined education of the Diffusion layer possible, without masking and without the masking for the diffusion process required high heat treatment temperatures to suspend. The requirements for the type and design of the galvanic Coating are only exposed to low temperatures masking less than during the the diffusion required masking. In addition, consequential damage to the Components prevented by the effect of high temperatures the material of the masking are conditional.

Für das Maskierungsmaterial ist lediglich eine Temperaturbeständigkeit bis ca. 400°C erforderlich.For the masking material only a temperature resistance up to 400 ° C is required.

Die zu beschichtenden Bauteilabschnitte werden vor dem Galvanisieren gereinigt und mit einem Aktivierungsmittel, vorzugsweise Nickelchlorid, behandelt.The component sections to be coated are cleaned before electroplating and with egg an activating agent, preferably nickel chloride treated.

Das Temperatur-Zeit-Profil, bei dem die Diffusion von Aluminium in die Bauteillegierung und von Legierungsbestandteilen in die Aluminiumschicht erfolgt, ist gemäß einer beispielhaften Ausgestaltung derart, dass die Bauteile – nach einer Erwärmung auf ca. 400–700°C und einer Haltezeit von bis zu 2 Stunden – etwa eine Stunde bei ca. 1100°C und anschließend etwa fünf Stunden bei ca. 1030°C wärmebehandelt werden und danach in ruhender Luft abgekühlt werden.The Temperature-time profile, in which the diffusion of aluminum in the Component alloy and alloy components in the aluminum layer is done according to a exemplary embodiment such that the components - after a warming to about 400-700 ° C and a Hold time of up to 2 hours - about one hour at about 1100 ° C and subsequently about five Hours at about 1030 ° C heat treated and then cooled in still air.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im Folgenden am Beispiel einer aus einem Nickelbasis-Werkstoff bestehenden Turbinenschaufel eines Gasturbinentriebwerks, deren Schaufelblatt zum Schutz vor Oxidation durch die heißen Arbeitsgase eine Aluminiumoxid-Schutzschicht aufweisen soll und deren in Ausnehmungen der Rotorscheibe gehaltener Schaufelfuß frei bleiben muss, näher erläutert.One embodiment The invention will be described below using the example of a nickel-based material existing turbine blade of a gas turbine engine whose Airfoil to protect against oxidation by the hot working gases To have aluminum oxide protective layer and their in recesses the rotor disc held blade root must remain free, explained in more detail.

Die durch die Befestigung an der Rotorscheibe einer hohen mechanischen Belastung ausgesetzten Schaufelfüße der Turbinenschaufeln werden mit Metallbändern beklebt und so gegenüber äußeren Einwirkungen bei der weiteren Behandlung maskiert. Zur Maskierung können die Schaufelfüße aber auch in einer Box angeordnet oder mit einem Kleber bestrichen sein. Anschließend werden die mechanisch bearbeiteten und gereinigten Turbinenschaufeln mit einem Aktivierungsmittel, beispielsweise NiCl (oder einem Fluorid, vorzugsweise Kalium-Aluminium-Fluorid) behandelt, um eine bessere Haftung der später galvanisch aufgebrachten Aluminiumschicht zu bewirken. Die so vorbereiteten Turbinenschaufeln werden nun (bevorzugt innerhalb einer sauer stoffgekapselten Anlage) in eine aprotische Lösung, das heißt in einen wasser- und sauerstofffreien organischen Elektrolyten mit in diesem befindlichen löslichen Aluminiumanoden eingebracht und im Bereich der nicht abgedeckten Schaufelblätter galvanisch mit Reinaluminium in einer Schichtdicke von 5 bis 10 μm beschichtet. Die Maskierung ist bei der galvanischen Beschichtung nur sehr geringen Temperaturen (etwa 300°C) ausgesetzt, so dass der Aufwand für die Maskierung und das Maskierungsmaterial und die spätere Demaskierung gering ist und die vergleichsweise geringen Temperaturen keine Reaktion zwischen Maskierungsmaterial und Grundmaterial bewirken und durch die Maskierung bewirkte Folgeschäden in dem maskierten Werkstoffbereich nicht auftreten können.The due to the attachment to the rotor disc of a high mechanical Loaded blade roots of the turbine blades be with metal bands stuck and so against external influences masked during further treatment. For masking the But shovel feet also be arranged in a box or coated with an adhesive. Subsequently become the machined and cleaned turbine blades with an activating agent, for example NiCl (or a fluoride, preferably potassium aluminum fluoride) treated to a better Liability of the later galvanic To effect applied aluminum layer. The so prepared Turbine blades are now (preferably within an oxygen-encapsulated Appendix) in an aprotic solution, this means in a water- and oxygen-free organic electrolyte with in this soluble Aluminum anodes introduced and in the area of uncovered airfoils galvanically coated with pure aluminum in a layer thickness of 5 to 10 microns. The masking is only very small with the galvanic coating Temperatures (about 300 ° C) exposed, so the effort for the masking and the masking material and the later Unmasking is low and the comparatively low temperatures cause no reaction between masking material and base material and caused by the masking consequential damage in the masked material area can not occur.

Anschließend werden die Turbinenschaufeln in einem Ofen, und zwar in einer Schutzgasatmosphäre oder auch im Vakuum, nach einer Erwärmungsphase, in der die Schaufeln auf ca. 600°C erwärmt und 1,5 Stunden bei dieser Temperatur gehalten werden, zunächst eine Stunde bei 1100°C und danach fünf Stunden bei 1030°C einer Wärmebehandlung unterzogen, in der das Aluminium aus der galvanisch aufgebrachten Aluminiumschicht in die Nickel-Basis-Legierung und umgekehrt das Nickel in die Aluminiumschicht diffundiert. Danach werden die Schaufeln in weniger als 10 Minuten in ruhender Luft abgekühlt. Das an der Oberfläche der so erzeugten Ni-Al-Diffusionsschicht des Schaufelblatts befindliche Aluminium bildet in einer Sauerstoffatmosphäre eine Aluminiumoxidschicht, die unter Betriebsbedingungen der Schaufeln im Triebwerk eine weitere Oxidation des Schaufelmaterials verhindert.Then be the turbine blades in an oven, in a protective gas atmosphere or even in a vacuum, after a warm-up phase, in which the blades to about 600 ° C. heated and held for 1.5 hours at this temperature, first one Hour at 1100 ° C and then five Hours at 1030 ° C a heat treatment subjected in which the aluminum from the electroplated Aluminum layer in the nickel-based alloy and vice versa Nickel diffuses into the aluminum layer. After that, the blades become cooled in still air in less than 10 minutes. That on the surface of the thus generated Ni-Al diffusion layer of the airfoil Aluminum forms an aluminum oxide layer in an oxygen atmosphere, under operating conditions of the blades in the engine another Oxidation of the blade material prevented.

Claims (7)

Verfahren zur Ausbildung einer Aluminium-Diffusionsschicht zum Oxidationsschutz von metallischen Bauteilen durch Bildung einer Aluminiumoxid-Schutzschicht, insbesondere für aus einer Nickel-Basis-Legierung bestehenden Bauteilen einer Fluggasturbine, wobei bestimmte Bauteilabschnitte zunächst maskiert werden und an die freien Bauteiloberflächen gebrachtes Aluminium oberflächennah in das Bauteil diffundiert, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil in einem ersten Verfahrensschritt unter der Maskierung in einem wasser- und sauerstofffreien organischen Elektrolyten galvanisch mit Reinaluminium beschichtet wird, die Maskierung anschließend in einem zweiten Verfahrensschritt wieder entfernt wird und danach das unmaskierte Bauteil in einem dritten Verfahrensschritt in einer Schutzgasatmosphäre oder im Vakuum unter einem vorgegebenen Hochtemperatur- und Zeitregime wärmebehandelt wird, wobei Aluminium in das Bauteil diffundiert und Legierungsbestandteile des Bauteils in entgegengesetzter Richtung in die Aluminiumschicht diffundieren.A method for forming an aluminum diffusion layer for the oxidation protection of metallic components by forming an aluminum oxide protective layer, in particular for consisting of a nickel-based alloy components of an aircraft gas turbine, wherein certain component sections are first masked and brought to the free component surfaces aluminum near the surface in the component diffused, characterized in that the component in a first process step under the masking in a water and oxygen-free organic electrolyte is galvanically coated with pure aluminum, the masking is then removed in a second process step and then the unmasked component in a third process step in a Inert gas atmosphere or under vacuum, under a predetermined high temperature and time regime is heat treated, wherein aluminum diffuses into the component and alloying components of the component in opposite he diffuses direction in the aluminum layer. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Maskierung aus unterhalb 400°C wärmebeständigen Klebern oder Kunststoffen oder aufgeklebten Metallbändern besteht.Method according to claim 1, characterized in that that the masking from below 400 ° C heat-resistant adhesives or plastics or glued metal bands consists. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zu beschichtenden Bauteilabschnitte vor der Galvanisierung gereinigt und mit einem Aktivierungsmittel behandelt werden.Method according to claim 1, characterized in that that the component sections to be coated before the galvanization be purified and treated with an activating agent. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Aktivierungsmittel Nickelchlorid ist.Method according to claim 3, characterized the activating agent is nickel chloride. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Diffusion des Aluminiums die Bauteile zunächst auf ca. 400–700°C erwärmt und bis zu zwei Stunden bei dieser Temperatur gehalten werden und dann ca. eine Stunde bei etwa 1100°C und ca. fünf Stunden bei etwa 1030°C wärmebehandelt und danach in ruhender Luft abgekühlt werden.A method according to claim 1, characterized in that for the diffusion of aluminum, the components are first heated to about 400-700 ° C and held for up to two hours at this temperature and then about one hour at about 1100 ° C and about five Hours treated at about 1030 ° C and then cooled in still air. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die unmaskierten Bauteilabschnitte in dem aprotischen Elektrolyten in einer Schichtdicke von 5 bis 10 μm beschichtet werden.Method according to claim 1, characterized in that that the unmasked component sections in the aprotic electrolyte be coated in a layer thickness of 5 to 10 microns. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die galvanisch erzeugte Aluminiumbeschichtung in einer Beize nachbehandelt wird.Method according to Claim 6, characterized that the galvanically produced aluminum coating in a stain is treated.
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