DE102009003547A1

DE102009003547A1 - Diffusions-Überzugssysteme mit Überzugsgas fördernden Bindern

Info

Publication number: DE102009003547A1
Application number: DE102009003547A
Authority: DE
Inventors: Todd S. Moran; Matthew J. O'connell; Dennis W. Cavanaugh
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2008-02-27
Filing date: 2009-02-26
Publication date: 2009-09-03
Also published as: JP5698440B2; CH698571A2; US20090214773A1; CN101519763A; CH698571B1; JP2009203552A

Abstract

Die vorliegende Erfindung stellt verbesserte Diffusions-Überzugszusammensetzungen und verbesserte Verfahren zum Diffusions-Überziehen von Metalloberflächen bereit. Die Zusammensetzung schließt (a) ein Überzugspulver und (b) einen Binder ein, wobei das Überzugspulver mindestens ein Metall umfasst, und worin der Binder während der Verdampfung oder Verbrennung ein Aktivatorgas freisetzt. Das Verfahren schließt die Stufen (a) Bereitstellen eines Substrates; (b) Aufbringen einer Diffusions-Überzugszusammensetzung auf mindestens einen Abschnitt des Substrates, worin die Zusammensetzung ein Überzugspulver und einen Binder umfasst, das Überzugspulver mindestens ein Metall umfasst und (c) Verdampfen oder Verbrennen mindestens eines Teiles der Zusammensetzung, um mindestens einen Teil des Binders zu verdampfen oder zu verbrennen, um ein Aktivierungsgas zu erzeugen und mindestens einen Teil des Metalls zu verdampfen, um einen Überzug des Metalls auf dem Substrat zu bilden, ein.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Diffusions-Überzugssysteme und spezieller bezieht sie sich auf Diffusions-Überzugssysteme zum Fördern des Überziehens interner Oberflächen.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Allgemein können die inneren Hohlräume von Turbinen-Komponenten schwierig und/oder teuer zu überziehen sein. Diese inneren Hohlräume können einen weiten Bereich komplizierter Oberflächen einschließen, auf denen es schwierig ist, eine konsistente Überzugsdicke zu erzeugen, und von denen es schwierig ist, die Abfallmaterialien zu entfernen, die während des Überzugs-Verfahrens erzeugt werden. Unglücklicherweise können dem Betrieb ausgesetzte Turbinen-Komponenten noch schwieriger zu überziehen sein als ursprüngliche Ausrüstungs-Hersteller(OEM)-Komponenten, da diese Komponenten Oberflächen enthalten können, die unsauber, teilweise oxidiert oder mit Restüberzug bedeckt sind.
Es existiert derzeit eine Vielfalt von Verfahren zum Überziehen von OEM- und dem Betrieb ausgesetzten Turbinen-Komponenten. Ein Verfahren zum Überziehen von Turbinen-Komponenten z. B. ist das relativ billige Zementierungs-Packverfahren. Unglücklicherweise kann es sein, dass dieses Verfahren nicht in der Lage ist, eine konsistente Überzugsdicke auf komplizierten Merkmalen, wie engen internen Kühllöchern und Hohlräu men, zu erzeugen. Darüber hinaus kann es schwierig sein, diese komplizierten Merkmale nach dem Überzugsverfahren wieder zu öffnen. Das Zementierungs-Packverfahren kann zu Abfallmaterialien, wie Restpulver und Asche führen, die schwierig zu entfernen und zu entsorgen sind.
Ein anderes Verfahren zum Überziehen von Turbinen-Komponenten ist die chemische Dampfabscheidung (CVD). Obwohl dieses Verfahren in der Lage sein mag, eine konsistente Überzugsdicke zu erzeugen, können das CVD-Verfahren und die -Ausrüstung prohibitiv teuer sein.
Es ist daher ein Überzugsverfahren erwünscht, das eine konsistentere Überzugsdicke auf einer Vielfalt von Turbinen-Komponenten bereitstellen kann. Das Überzugsverfahren kann billig sein und/oder eine konsistente Überzugsdicke auf einer weiten Vielfalt komplizierter Geometrien bereitstellen, die teilweise oxidiert, unsauber oder mit Restüberzug bedeckt sein können. Das Verfahren kann auch eine einfache Überzugs-Injektion bereitstellen, weniger Abfallmaterial erzeugen und/oder die einfache und konsistente Entfernung von Abfallmaterialien, wie Restpulver und Asche, gestatten.
KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung schafft eine Diffusions-Überzugszusammensetzung und ein Verfahren zum Diffusionsüberziehen einer Turbinen-Komponente. Die Zusammensetzung kann (a) ein Überzugspulver und (b) einen Binder einschließen, wobei das Überzugspulver mindestens ein Metall umfasst und worin der Binder während der Verdampfung oder Verbrennung ein Aktivatorgas freisetzt. Das Verfahren kann die Stufen einschließen: (a) Bereitstellen eines Substrates; (b) Aufbringen einer Diffusions-Überzugszusammensetzung auf mindestens einen Abschnitt des Substrates, wobei die Zusammensetzung ein Überzugspulver und einen Binder umfasst, wobei das Überzugspulver mindestens ein Metall umfasst, und (c) Verdampfen oder Verbrennen mindestens eines Teiles der Zusammensetzung, um mindestens einen Teil des Binders zu verdampfen oder zu verbrennen, um ein Aktivierungsgas zu erzeugen und mindestens einen Teil des Metalls zu verdampfen, um einen Überzug des Metalls auf dem Substrat zu bilden.
Diese und andere Merkmale der vorliegenden Erfindung werden für den Fachmann bei der Durchsicht der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Ansprüchen deutlich.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Anmeldung stellt verbesserte Diffusions-Überzugszusammensetzungen und verbesserte Verfahren zum Diffusions-Überziehen von Metalloberflächen bereit. Gemäß einer speziellen Ausführungsform kann die vorliegende Anmeldung Zusammensetzungen und Verfahren zum Diffusions-Überziehen von Gasturbinen-Komponenten bereitstellen.
In einer gewissen Ausführungsform kann die Diffusions-Überzugszusammensetzung fließfähig sein und sie kann (1) ein ein Metall umfassendes Überzugspulver und (2) einen Binder einschließen. In einer anderen Ausführungsform kann die Zusammensetzung weiter ein Additiv einschließen.
Gemäß gewissen Ausführungsformen kann das Verfahren die Stufen einschließen: (a) Bereitstellen eines Substrates; (b) Aufbringen einer Diffusions-Überzugszusammensetzung auf mindestens einen Abschnitt des Substrates, wobei die Zusammensetzung ein Überzugspulver und einen Binder umfasst, wobei das Überzugspulver mindestens ein Metall umfasst, und (c) Verdampfen oder Verbrennen mindestens eines Teiles der Zusammensetzung, um mindestens einen Teil des Binders zu verdampfen oder zu verbrennen, um ein Aktivierungsgas zu erzeugen und mindestens einen Teil des Metalls zu verdampfen, um einen Überzug des Metalls auf dem Substrat zu bilden. Das Verfahren kann auch die Stufe (d) des. Entfernens eines Abfallmaterials von der Turbinen-Komponente einschließen.
Die Diffusions-Überzugszusammensetzung und das Diffusions-Überzugsverfahren können die Fähigkeit des Substrates verbessern, hohen Temperaturen zu widerstehen. Im Besonderen kann das Verfahren einen chemisch gebundenen Überzug bilden, der die Beständigkeit des Substrates gegen Oxidation, Sulfidierung und/oder Korrosion verbessert. Der Diffusionsüberzug kann das Substrat schützen, indem er eine Sperre gegen die Diffusion von Fremdelementen in das Substrat bildet.
Das Substrat
Die hierin beschriebenen Zusammensetzungen und Verfahren können brauchbar sein zum Diffusionsüberziehen im Wesentlichen irgendeines Substrates. Die Zusammensetzungen und Verfahren können speziell brauchbar sein zum Diffusionsüberziehen von Substraten, die unter schweren Betriebsbedingungen eingesetzt werden. Das Substrat kann, z. B., eine Gasturbinen-Komponente, eine Energieerzeugungs-Komponente oder eine Dieseltriebwerks-Komponente sein. In speziellen Ausführungsformen können die Zusammensetzungen und Verfahren auf Substraten eingesetzt bzw. angewendet werden, die extrem hohen Betriebstemperaturen ausgesetzt sind. So können, z. B., die Zusammensetzungen und Verfahren auf Gasturbinen-Komponenten einschließlich Turbinen-Blättern, -Schaufeln, stationären Schaufeln, Gehäusen, Dichtungen, Düsen und Mantel-Formstücken aufgebracht werden. Substrate, die zum Überziehen mit den hierin beschriebenen Zusammensetzungen und Verfahren geeignet sind, können Legierungen umfassen. So kann, z. B., das Substrat Legierungen von Nickel (Ni), Kobalt (Co), Eisen (Fe) oder Molybdän (Mo) umfassen.
Die Substrate können einen Oberflächenabschnitt einschließen und sie können ein oder mehrere interne Hohlräume einschließen. Die internen Hohlräume können einen weiten Bereich komplizierter Oberflächen, wie enge Löcher, einschließen. Das Substrat kann entweder eine OEM-Komponente oder eine dem Betrieb ausgesetzte Komponente sein. In solchen Ausführungsformen, bei denen das Substrat eine dem Betrieb ausgesetzte Komponente ist, können Abschnitte des Substrates unsauber, teiloxidiert sein oder Restüberzug einschließen.
Die fließfähige Überzugszusammensetzung
Die Zusammensetzung kann ein Überzugspulver, einen Binder und, wahlweise, ein Additiv umfassen.
Das Überzugspulver kann ein Metall enthalten, das zum Bilden einer chemischen Bindung mit dem Substrat in der Lage ist. Das Metall kann sich mit dem Substrat verbinden, um eine Schutzsperre gegen die Diffusion von Fremdelementen in das Substrat zu bilden. Die Sperre kann die Diffusion von Elementen, wie Sauerstoff, verhindern, um das Substrat vor Oxidation, Sulfidierung und/oder Korrosion zu schützen.
Gemäß speziellen Ausführungsformen kann das Überzugspulver mindestens ein Metall einschließen, ausgewählt aus der Gruppe von Aluminium, Platinaluminium, Chromaluminium, Aluminiumsilicium, MCrAlY oder Kombinationen davon. MCrAlY umfasst mindestens eines von Eisen, Kobalt oder Nickel (M = Fe, Co und/oder Ni), Chrom, Aluminium und Yttrium. Gemäß gewissen Ausführungsformen kann das Überzugspulver in der Zusammensetzung in einer Menge vorhanden sein, die genügt, um (1) eine Überzugsdicke im Bereich von etwa 0,00003 Zoll bis etwa 0,007 Zoll zu erzeugen, und (2) einen Überzug mit einem Prozentsatz an Aluminium im Bereich von etwa 12% bis etwa 50% Aluminium zu bilden. Gemäß speziellen Ausführungsformen kann das Überzugs-Pulver in der Zusammensetzung in einer Menge im Bereich von etwa 5 Gewichtsprozent (Gew.-%) bis etwa 60 Gew.-% der Zusammensetzung vorhanden sein.
Der Binder kann einen Hartlot-Gelbinder umfassen. In der bevorzugten Ausführungsform ist die Viskosität des Binders derart, dass die Zusammensetzung (1) während des Aufbringens auf das Substrat fließt und (2) nach dem Aufbringen auf das Substrat an Ort und Stelle verbleibt. Der Binder kann, was wichtig ist, verursachen, dass die Zusammensetzung ein (unten beschriebenes) Aktivatorgas während der Verdampfungs- oder Verbrennungsstufe freisetzt. Gemäß speziellen Ausführungsformen ist der Binder in der Zusammensetzung in einer Menge im Bereich von etwa 20 Gew.-% bis etwa 50 Gew.-% der Zusammensetzung vorhanden. Nicht einschränkende Beispiele geeigneter Binder schließen Binder auf Wassergrundlage, Binder auf Alkoholgrundlage, Binder auf Epoxygrundlage und Kombinationen davon ein.
Der Binder kann auch mindestens ein Additiv umfassen. Das Additiv kann die Erzeugung eines (unten beschriebenen) Aktivierungsgases während der Verdampfungs- oder Verbrennungsstufe fördern. Gemäß speziellen Ausführungsformen kann das Additiv mindestens eines von Polymethylmethacrylat(PMMA)-Mikroperlen, Aluminiumoxid, calciniertes Aluminiumoxid, Ammoniumfluorid (NH₄F), Ammoniumchlorid (NH₄Cl), Teflon-Chips umfassen. Das Additiv kann in der Zusammensetzung in einer Menge im Bereich von etwa 1 Gew.-% bis etwa 20 Gew.-% der Zusammensetzung vorhanden sein.
Das Überzugsverfahren
Die Stufe des Aufbringens der Überzugs-Zusammensetzung auf das Substrat kann im Wesentlichen irgendeine im Stande der Technik bekannte geeignete Technik umfassen. Techniken, die zum Aufbringen der Überzugs-Zusammensetzung geeignet sind, schließen Injektion, Untertauchen, Eintauchen und Vakuumbenutzung ein. In einer bevorzugten Ausführungsform schließt die Stufe das Injizieren der Zusammensetzung in mindestens einen internen Hohlraum des Substrates ein. Die Viskosität der Zusammensetzung kann, was wichtig ist, (1) gestatten, dass die Zusammensetzung in irgendwelche internen Hohlräume innerhalb des Substrates fließt, und (2) gestatten, dass die Zusammensetzung nach dem Aufbringen auf das Substrat an. Ort und Stelle verbleibt.
Das Überzugsverfahren kann die Stufe des Verdampfens oder Verbrennens mindestens eines Teiles der Zusammensetzung einschließen, um (1) mindestens einen Teil des Binders zu verdampfen oder zu verbrennen, um ein Aktivierungsgas zu erzeugen, und (2) mindestens einen Teil des Metalls zu verdampfen, um einen Überzug des Metalls auf dem Substrat zu bilden. In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Stufe des Verdampfens oder Verbrennens eine Wärmebehandlung. Die Wärmebehandlung kann in einem Ofen stattfinden, wie in einem Luftkasten-Ofen, und sie kann bei einer Temperatur im Bereich von etwa 1400°F bis etwa 2100°F und über eine Zeitdauer im Bereich von etwa 1 Stunde bis etwa 10 Stunden stattfinden.
Die Stufe des Verdampfens oder Verbrennens kann verursachen, dass der Binder ein Aktivatorgas erzeugt. Das Akti vatorgas kann das Überzugsverfahren durch Fördern der Diffusion des Metalls auf den Abschnitt des Substrates verbessern. Gemäß speziellen Ausführungsformen kann das Aktivatorgas mindestens eines von Wasserstoff, Chlor, Fluor, Hydrogenchlorid, Hydrogenfluorid oder Ammonium umfassen. Obwohl der genaue Mechanismus, mit dem das Aktivatorgas das Überzugsverfahren fördert, unbekannt ist, wird angenommen, dass das Aktivatorgas (1) die Turbinen-Komponente reinigen kann, (2) die gleichmäßige Diffusion des Überzuges auf die Oberfläche der Turbinen-Komponente fördern kann, einschließlich irgendwelcher Abschnitte der Turbinen-Komponente, die unsauber, teiloxidiert sind oder Restüberzug einschließen, (3) die Menge des Abfallmaterials, wie Restüberzug und Asche, verringern kann, (4) eine einfachere Abfallmaterial-Entfernung von der Turbinen-Komponente gestatten kann, (5) die Turbinen-Komponente glätten kann oder irgendeine Kombination der Vorgenannten.
Das Überzugsverfahren kann auch die Stufe (d) des Entfernens eines Abfallmaterials von der Turbinen-Komponente einschließen. Das Abfallmaterial kann irgendeinen verbliebenen Teil der Zusammensetzung und/oder irgendwelche Nebenprodukte des Überzugsverfahrens, wie Restpulver und Asche, umfassen.
BEISPIELE
Eine Diffusions-Überzugszusammensetzung mit 30 Gew.-% Chromaluminium (100 Maschen, 44% Chrom, 56% Aluminium), 40 Gew.-% Hartlot-Gelbinder, 5 Gew.-% Ammoniumchlorid (NH₄Cl), 5 Gew.-% Ammoniumfluorid (NH₄F), 10 Gew.-% PMMA-Mikroperlen und 10 Gew.-% calciniertes Aluminiumoxid (Al₂O₃, 100 Maschen) wurde in die inneren Durchgänge einer Turbinenschaufel aus Superlegierung auf Nickelgrundlage injiziert. Die Turbinenschaufel wurde in einem Ofen 4 Stunden lang auf 2000°F erhitzt, der Ofen dann abgestellt und man ließ auf Raumtemperatur abkühlen.
Nach dem Abkühlen wurden die internen Durchgänge der Turbinenschaufel mit komprimierter Standardluft gereinigt. Dann ließ man Wasser durch die internen Durchgänge fließen, um sicherzustellen, dass sie frei von irgendwelchem übrigen Material waren. Der Diffusions-Überzug war ein 1,8 mm-Überzug, umfassend 23 Gew.-% Aluminid, in den Turbinendurchgängen,.
Es sollte klar sein, dass das Vorstehende sich nur auf die bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung bezieht, und dass zahlreiche Änderungen und Modifikationen hierin vorgenommen werden können, ohne vom allgemeinen Geist und Umfang der Erfindung abzuweichen, wie sie durch die folgenden Ansprüche und deren Äquivalente definiert ist.
Die vorliegende Erfindung stellt verbesserte Diffusions-Überzugszusammensetzungen und verbesserte Verfahren zum Diffusions-Überziehen von Metalloberflächen bereit. Die Zusammensetzung schließt (a) ein Überzugspulver und (b) einen Binder ein, wobei das Überzugspulver mindestens ein Metall umfasst, und worin der Binder während der Verdampfung oder Verbrennung ein Aktivatorgas freisetzt. Das Verfahren schließt die Stufen (a) Bereitstellen eines Substrates; (b) Aufbringen einer Diffusions-Überzugszusammensetzung auf mindestens einen Abschnitt des Substrates, worin die Zusammensetzung ein Überzugspulver und einen Binder umfasst, das Überzugspulver mindestens ein Metall umfasst und (c) Verdampfen oder Verbrennen mindestens eines Teiles der Zusammensetzung, um mindestens einen Teil des Binders zu verdampfen oder zu verbrennen, um ein Aktivierungsgas zu erzeugen und mindestens einen Teil des Metalls zu verdampfen, um einen Überzug des Metalls auf dem Substrat zu bilden, ein.

Claims

Verfahren zum Diffusionsüberziehen eines Substrates, umfassend die Stufen: (a) Bereitstellen eines Substrates; (b) Aufbringen einer Diffusions-Überzugszusammensetzung auf mindestens einen Abschnitt des Substrates, wobei die Zusammensetzung ein Überzugspulver und einen Binder umfasst, wobei das Überzugspulver mindestens ein Metall umfasst, und (c) Verdampfen oder Verbrennen mindestens eines Teiles der Zusammensetzung, um mindestens einen Teil des Binders zu verdampfen oder zu verbrennen, um ein Aktivierungsgas zu bilden und mindestens einen Teil des Metalls zu verdampfen, um einen Überzug des Metalls auf dem Substrat zu bilden.
Verfahren nach Anspruch 1, worin die Stufe des Bereitstellens eines Substrates das Bereitstellen einer Turbinen-Komponente umfasst.
Verfahren nach Anspruch 2, worin ein Abschnitt der Turbinen-Komponente mindestens eine Fläche aufweist, die oxidiert, unsauber oder mit Restüberzug überzogen ist.
Verfahren nach Anspruch 1, worin die Stufe des Aufbringens der Zusammensetzung das Injizieren der Zusammensetzung umfasst.
Diffusions-Überzugszusammensetzung, umfassend: (a) ein Überzugspulver und (b) einen Binder, worin das Überzugspulver mindestens ein Metall umfasst, und worin der Binder während der Verdampfung oder Verbrennung ein Aktivatorgas freisetzt.
Zusammensetzung nach Anspruch 5, worin das mindestens eine Metall ausgewählt ist aus der Gruppe von Aluminium, Platinaluminium, Chromaluminium, Aluminiumsilicium, MCrAlY oder Kombinationen davon.
Zusammensetzung nach Anspruch 5, worin das Überzugspulver in der Zusammensetzung in einer Menge von etwa 5 Gew.-% bis etwa 60 Gew.-% der Zusammensetzung vorhanden ist.
Zusammensetzung nach Anspruch 5, worin der Binder einen Hartlot-Gelbinder umfasst.
Zusammensetzung nach Anspruch 5, worin der Binder in der Zusammensetzung in einer Menge von etwa 20 Gew.-% bis etwa 60 Gew.-% der Zusammensetzung vorhanden ist.
Zusammensetzung nach Anspruch 5, worin der Binder weiter mindestens ein Additiv umfasst, worin das mindestens eine Additiv ausgewählt ist aus der Gruppe aus PMMA-Mikroperlen, Aluminiumoxid, calciniertem Aluminiumoxid, NH₄F, NH₄Cl, Teflon-Chips oder Kombinationen davon.