DE102017101919B4

DE102017101919B4 - Verfahren zum Aufbringen einer Beschichtung auf ein Substrat

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Publication number: DE102017101919B4
Application number: DE102017101919.7A
Authority: DE
Inventors: Matthew Yao; Abdelhakim Belhadjhamida; David A. Lee; Qingjun Zheng
Original assignee: Kennametal Inc
Current assignee: Kennametal Inc
Priority date: 2016-02-12
Filing date: 2017-02-01
Publication date: 2023-01-19
Anticipated expiration: 2037-02-02
Also published as: CN107083502B; CN107083502A; CA2957009A1; DE102017101919A1; US20170233852A1; CA2957009C; US10428406B2

Abstract

Verfahren zum Aufbringen einer Beschichtung auf ein Substrat, das Folgendes umfasst:Bereitstellen einer Pulverlegierungszusammensetzung, die 15-25 Gew.-% Chrom, 15-20 Gew.-% Molybdän, 0-15 Gew.-% Wolfram, 10-20 Gew.-% Nickel, 2,5-3,5 Gew.-% Bor, 2,5-4,5 Gew.-% Silizium, 1-2 Gew.-% Kohlenstoff und zum Rest Cobalt umfasst, wobei ein Verhältnis von Nickel zu einer Summe von Bor und Silizium in der Legierung [Ni/(B+Si)] im Bereich von 2,0 bis 3,0 liegt und die Pulverlegierungszusammensetzung eine Liquidustemperatur von weniger als 1150°C aufweist;Auftragen der Pulverlegierungszusammensetzung auf das Substrat durch ein thermisches Spritzverfahren, wobei das thermische Spritzverfahren aus Hochgeschwindigkeitsflammspritzen (HVOF) und Hochgeschwindigkeitsluftstrom (HVAF, High Velocity Air Fuel) ausgewählt ist; undSintern der aufgebrachten Legierungszusammensetzung, um eine gesinterte Legierungsbeschichtung, die metallurgisch an das Substrat gebunden ist, bereitzustellen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufbringen einer Beschichtung auf ein Substrat, insbesondere zum Aufbringen von Cobalt-basierten Legierungen mit hoher Härte und wünschenswerter Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit.
Handelsübliche verschleißbeständige Stellit-Legierungen werden von der Co-Cr-W-C-Familie abgeleitet, die zuerst Anfang 1900 von Elwood Haynes untersucht wurde. Hartlegierungen des Co-Cr-W-C-Typs gibt es in mehreren Modifikationen, und es ist allgemein bekannt, dass der zur Verfügung stehende Bereich von handelsüblichen Qualitäten die meisten Anforderungen der Industrie erfüllt. Jedoch können die kohlenstoffreichen Co-Cr-W-C-Legierungen gegebenenfalls unzureichend sein, insbesondere dort, wo Komponenten von Pumpen, Laufrädern, usw., oft der gleichzeitigen abrasiven und korrosiven Wirkung von Medien in wässriger Lösung, bestehend aus einer Suspension von mineralischen Hartpartikeln, widerstehen müssen. Solche Fehler treten zum Beispiel in der Superphosphatindustrie auf.
Der bei Kennametal Stellit Inc. entwickelte Co-Cr-Mo-C-Legierungstyp der Stellit-Serie 700 erhöht die Standards für verschleiß- und korrosionsbeständige Legierungen. Diese Stellit-Legierungen besitzen die außergewöhnliche Kombination aus hervorragender Verschleißbeständigkeit und außergewöhnlicher Korrosionsbeständigkeit in Umgebungen, die entweder reduzierend oder komplex sind. Co-basierte Stellit-Legierungen wie Stellit 720 mit einer nominalen Zusammensetzung von Co-33Cr-18Mo-2,45C, sind für ihre ausgezeichnete Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit bekannt. Dementsprechend kann die Stellit-Legierung 720 als Beschichtung, die im Grünzustand durch Aufschlämmungs- oder Tuch-Prozesse, wie zum Beispiel die von Kennametal, Inc. angebotenen UltraFlex- und Conforma Clad-Technologien, aufgebracht wird, verwendet werden. Die grüne Beschichtung wird anschließend gesintert, um die Beschichtung in eine dichte, einheitliche Schicht, die metallurgisch mit dem Substrat verbunden ist, zu verschmelzen. Es ist jedoch schwierig, Stellit 720 durch thermische Spritztechniken, wie Hochgeschwindigkeitsflammspritzen (HVOF), aufzutragen. Was die Beschichtungsanhaftung noch komplizierter macht, ist das allgemeine Konzept, dass es Dickeeinschränkungen für das Spritzen verschiedener Beschichtungszusammensetzungen auf ein gegebenes Substrat gibt. Daher bleiben die verschleißbeständigen und korrosionsbeständigen Eigenschaften des Co-Cr-Mo-C-Legierungstyps für thermische Spritzanwendungen weitgehend unverwirklicht.
Die JP S59-211546 A offenbart eine verschleißbeständige, kobaltbasierte Legierung, die zum Aufbringen von Oberflächenbeschichtungen mittels thermischen Spritzverfahren genutzt werden kann. Die Legierung weist einen Anteil von 5 bis 35 Gew.-% Chrom, 0 bis 20 Gew.-% Nickel und optional 0,5 bis 5 Gew.-% Bor und ebenfalls optional 1 bis 5 Gew.-% Silicium auf.
Aus der GB 933,406 ist eine verschleißbeständige Legierungszusammensetzung auf Kobalt- und Chrombasis bekannt. Die Legierung wird zusammen mit einem Wolframcarbidpulver auf eisenhaltige Metalle aufgebracht. Die Legierung kann 1 bis 20 Gew.-% Nickel, 0,9 bis 4 Gew.-% Bor und 1 bis 5 Gew.-% Silicium enthalten.
Die US 2014/0271319 A1 beschreibt ein Verfahren zum Aufbringen von Ummantelungen auf metallische Substrate. Insbesondere sollen Substrate mit einer Beschichtung versehen werden, die sich aufgrund ihrer komplexen Geometrie nicht oder nur schwer mittels thermischen Spritzverfahren mit einer Beschichtung versehen lassen. Daher werden kobaltbasierte Legierungen zusammen mit einem organischen Binder, beispielsweise PTFE, zu Folien verarbeitet, die auf die Substrate aufgebracht werden. Anschließend wird durch Sintern eine Beschichtung aus einer Legierung auf dem Substrat aufgebaut, wobei sich der organische Binder während des Sinterns zersetzt.
Die US 2014/0271318 A1 zeigt ein Verfahren zur Herstellung von freistehenden Kompositartikeln. In dem Verfahren werden auf ein temporäres Substrat zunächst mehrere Schichten aufgebracht. Eine Schicht besteht aus einer Folie, die aus einem organischen Binder und ein in den organischen Binder eingearbeitetes Hartmetall zusammengesetzt ist. Eine weitere Schicht weist ein Metall oder eine Legierung auf. Durch Aufheizen infiltriert das Metall oder die Legierung die erste Schicht unter Bildung eines Kompositartikels. Der organische Binder der Folie wird dabei zersetzt. Nach dem Abkühlen wird der erhaltene Kompositartikel vom Substrat getrennt.
Aus der US 3,313,633 sind Zusammensetzungen zum Aufbringen von Beschichtungen mittels thermischen Spritzerfahren bekannt, die eine selbstfließende Legierung auf Nickel- oder Kobalt-Basis umfassen, wobei die selbstfließende Legierung Bor und/oder Silicium aufweist. Zudem umfasst die Zusammensetzung 5 bis 95 Gew.-% eines hochschmelzenden Metallpulvers, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Wolfram, Rhenium, Tantal, Molybdän, Niob und Legierungen davon. Die Zusammensetzung weist einen Schmelzpunkt von zumindest ca. 1925°C auf.
In Anbetracht der vorhergehenden Nachteile werden hierin Cobalt-basierte Legierungszusammensetzungen mit Eigenschaften beschrieben, die mit thermischen Spritz- und Sintertechniken kompatibel sind.
Erfindungsgemäß ist ein Verfahren für das Aufbringen von Beschichtungen auf ein Substrat vorgesehen. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst das Bereitstellen einer Pulverlegierungszusammensetzung von 15-25 Gew.-% Chrom, 15-20 Gew.-% Molybdän, 0-15 Gew.-% Wolfram, 10 bis 20 Gew.-% Nickel, 2,5-3,5 Gew.-% Bor, 2,5-4,5 Gew.-% Silizium, 1-2 Gew.-% Kohlenstoff und zum Rest Cobalt, wobei ein Verhältnis von Nickel zu einer Summe von Bor und Silizium in der Legierung [Ni/(B+Si)] im Bereich von 2,0 bis 3,0 liegt und die Pulverlegierungszusammensetzung eine Liquidustemperatur von weniger als 1150°C aufweist. Die Pulverlegierungszusammensetzung wird auf das Substrat durch ein thermisches Spritzverfahren aufgebracht, wobei das thermische Spritzverfahren aus Hochgeschwindigkeitsflammspritzen (HVOF) und Hochgeschwindigkeitsluftstrom (HVAF, High Velocity Air Fuel) ausgewählt ist. Die aufgebrachte Legierungszusammensetzung wird dann gesintert, um eine gesinterte metallurgisch an das Substrat gebundene Legierungsbeschichtung bereitzustellen.
Diese und andere Ausführungsformen werden in der nachfolgenden detaillierten Beschreibung weiter beschrieben. In den Figuren zeigen:

1 ein metallographisches Bild, das mikrostrukturelle Aspekte einer gesinterten Co-basierten Legierungsbeschichtung, die gemäß dem hierin beschrieben Verfahren aufgebracht wurde, veranschaulicht.
2 (a) - (c) Querschnittsmikrophotographien von Nickel-basierten Legierungssubstraten, die gesinterte Co-basierte Legierungsbeschichtungen aufweisen, die gemäß einigen hierin beschriebenen Ausführungsformen metallurgisch darauf gebunden sind.

Hierin beschriebene Ausführungsformen werden anhand der folgenden ausführlichen Beschreibung und der Beispiele und deren vorherigen und folgenden Beschreibungen leichter verständlich. Hierin beschriebene Elemente, Vorrichtungen und Verfahren sind jedoch nicht auf die speziellen Ausführungsformen beschränkt, die in der ausführlichen Beschreibung und in den Beispielen vorgestellt werden. Es sollte klar sein, dass diese Ausführungsformen lediglich die Prinzipien der vorliegenden Erfindung veranschaulichen.
I. Legierungszusammensetzungen
Hierin sind Legierungszusammensetzungen mit Eigenschaften beschrieben, die mit thermischen Spritz- und Sinter-Aufschmelzverfahren kompatibel sind, um Plattierungen bereitzustellen, die die wünschenswerte Dichte, Härte, Verschleißbeständigkeit und Korrosionsbeständigkeit aufweisen. Im Allgemeinen umfasst eine hier beschriebene Legierungszusammensetzung 15-25 Gew.-% Chrom, 15-20 Gew.-% Molybdän, 0-15 Gew.-% Wolfram, 10 bis 20 Gew.-% Nickel, 2,5-3,5 Gew.-% Bor, 2,5- 4,5 Gew.-% Silizium, 1-2 Gew.-% Kohlenstoff und zum Rest Cobalt, wobei ein Verhältnis von Nickel zu einer Summe von Bor und Silizium in der Legierung [Ni/(B+Si)] im Bereich von 2,0 bis 3,0 liegt und die Pulverlegierungszusammensetzung eine Liquidustemperatur von weniger als 1150°C aufweist.
Eine hierin beschriebene Legierungszusammensetzung kann auch ein Verhältnis von Nickel zu einer Summe von Bor und Silizium in der Legierung haben, [Ni/(B+Si)], das im Bereich von 2,0 bis 3,0 liegt. Auch kann das Ni/(B+Si)-Verhältnis im Bereich von 2,1 bis 2,5 liegen. Der Anteil von Bor, Silizium und Nickel der Legierungszusammensetzung kann vorsichtig gesteuert werden, um Eigenschaften bereitzustellen, die Beschichtungsabscheidung durch thermische Spritz- und Sinter-Aufschmelzverfahren erleichtern.
Zunehmende Mengen an Bor und Silizium können beispielsweise den Schmelzpunkt der Legierungszusammensetzung erniedrigen und den Schmelzbereich erhöhen. Ein niedrigerer Schmelzpunkt und ein erhöhter Schmelzbereich können die Schmelzbarkeit der Legierungszusammensetzung verbessern.
Die hierin beschriebene Legierungszusammensetzung weist eine Liquidustemperatur von weniger als 1150°C auf. Beispielsweise kann eine Legierungszusammensetzung eine Liquidustemperatur im Bereich von 1090 °C bis 1130°C aufweisen. Außerdem kann eine Legierungszusammensetzung einen Schmelzbereich (Liquidus-Solidus) von mindestens 50 °C aufweisen. Eine hierin beschriebene Legierungszusammensetzung kann auch einen Schmelzbereich von 50 °C bis 70 °C aufweisen.
Wichtig ist, dass Anteile von Bor, Silizium und Nickel der Legierungszusammensetzung ein sorgfältiges Gleichgewicht erfordern, um die vorstehenden thermischen Eigenschaften zu erreichen. Bor, Silizium und Nickel haben beispielsweise jeweils unterschiedliche Auswirkungen auf die Schmelzpunkterniedrigung der Legierungszusammensetzung. Im Hinblick auf diese Auswirkungen wurde das B/Si-Verhältnis und Ni/(B+Si)-Verhältnis oben definiert.
Die Summe von Bor und Silizium (B+Si) kann in der Legierungszusammensetzung im Allgemeinen im Bereich von 6,0 bis 8,0. B+Si kann auch von 6,5 und 7,5 reichen, um die wünschenswerten thermischen Eigenschaften der Legierungszusammensetzung für die Verbesserung der Abscheidung durch thermische Spritz- und Sinter-Aufschmelzverfahren zu erreichen.
Die hierin beschriebenen Cobalt-basierten Legierungszusammensetzungen können in jeder erwünschten Form bereitgestellt werden. Erfindungsgemäß liegt die Legierungszusammensetzung in Pulverform vor, die für eine oder mehrere pulvermetallurgische Anwendungen geeignet ist. Wie nachstehend erläutert, ist die Legierungszusammensetzung in Pulverform für das thermische Spritzen geeignet, wie beispielsweise HVOF von HVAF gefolgt durch Sinter-Aufschmelzen.
Außerdem kann die Pulverlegierungszusammensetzung für das Aufbringen der Aufschlämmung auf ein Substrat, gefolgt von Sintern, wie in der von Kennametal, Inc. angebotenen Ultraflex-Technologie, geeignet sein.
Auch kann das Pulver der Legierungszusammensetzung für das Gewebeaufbringen auf ein Substrat geeignet sein, gefolgt von Sintern, wie in der von Kennametal, Inc. angebotenen Conforma Clad-Technologie.
Die hierin beschriebene Pulverlegierung der Zusammensetzung kann eine durchschnittliche Teilchengröße von 0,1 µm bis 200 µm aufweisen. insbesondere weist die Pulverlegierung eine durchschnittliche Teilchengröße von Tabelle I auf. Tabelle I - Mittlere Teilchengröße (um) der Co-basierten Legierung

75-125

20-100

5-50

10-25

0,1-10
Alternativ kann eine Legierungszusammensetzung als Folie oder eine andere nicht teilchenförmige Morphologie bereitgestellt werden.
II. Beschichtete Gegenstände
Des Weiteren werden hierin beschichtete Gegenstände beschrieben. Ein beschichteter Gegenstand kann ein metallisches Substrat und eine gesinterte Legierungsbeschichtung umfassen, die auf dem metallischen Substrat anhaftet, wobei die gesinterte Legierungsbeschichtung eine beliebige Zusammensetzung aufweist, wie sie in Abschnitt I oben beschrieben wurde.
Die gesinterte Legierungsbeschichtung weist auch wünschenswerte Eigenschaften, einschließlich, aber nicht beschränkt auf, Dichte, Härte, Verschleißbeständigkeit und Dicke, auf.
Die gesinterte Legierungsbeschichtung kann vollständig dicht oder im Wesentlichen vollständig dicht sein. Die gesinterte Legierungsbeschichtung kann beispielsweise im Allgemeinen Porosität von weniger als 3 Vol.-% oder weniger als 2 Vol.-% aufweisen. Außerdem kann die gesinterte Legierungsbeschichtung frei von Rissen sein.
Bei gesinterten Legierungsbeschichtungen, die durch thermische Spritzverfahren und/oder Sinterverfahren aufgetragen werden, können oft beim Abkühlen Risse entstehen. Die hierin beschriebenen gesinterten Legierungsbeschichtungen der Zusammensetzung widerstehen jedoch Rissbildung und können eine kontinuierliche, rissfreie Struktur auf der Substratoberfläche aufweisen.
Die rissfreie Morphologie kann nachfolgend durch Temperaturwechsel oder weitere Wärmebehandlung des beschichteten Gegenstandes weiter bestehen, wie beispielsweise Wärmebehandlungen, die verwendet werden, um die mechanischen Eigenschaften des darunterliegenden Substrats nach der Beschichtung wiederherzustellen.
Die gesinterte Legierungsbeschichtung kann eine Härte von mindestens 55 HRC aufweisen. Die hierin genannten Härtewerte werden gemäß ASTM E-18-02 Standard-Testverfahren für Rockwell-Härte metallischer Werkstoffe bestimmt. Die gesinterte Legierungsbeschichtung kann eine aus Tabelle II entnommene Härte aufweisen. Tabelle II - Härte der gesinterten Legierungsbeschichtung (HRC)

57-65

60-70

60-65

61-64
Die gesinterte Legierungsbeschichtung kann auch vorteilhafte Abnutzungsbeständigkeit aufweisen. Die gesinterte Legierungsbeschichtung kann einen angepassten Volumenverlust (AVL) von weniger als 20 mm³ gemäß ASTM G65 Standard-Testverfahren zur Messung von Abnutzung unter Verwendung von Trockensand/Gummirad, Verfahren A, aufweisen. Eine hierin beschriebene gesinterte Legierungsbeschichtung kann auch einen aus Tabelle III entnommenen AVL aufweisen. Tabelle II - AVL der gesinterten Legierungsbeschichtung (mm³)

ASTM G65, Verf. A

< 15

10-20

10-15

12-14
Die vorgenannten physikalischen Eigenschaften der Härte und Abnutzungsbeständigkeit kann teilweise auf die Mikrostruktur der gesinterten Legierungsbeschichtung zurückgeführt werden. Laves-Phasen von CoMoSi und/oder Co₃Mo₂Si können beispielsweise eine verbesserte Abnutzungsbeständigkeit sowie Korrosionsbeständigkeit bei reduzierenden Umgebungen, wie beispielsweise Einwirkung von Salzsäure (HCl) oder Schwefelsäure (H₂SO₄) bei erhöhten Temperaturen, bereitstellen.
Mikrostrukturelle amorphe Bereiche können, zusätzlich zu intermetallischen Boriden und/oder Metallcarbiden, zu gesinterter Legierungshärte und Festigkeit beitragen.
Auch können Metallcarbid-Phasen der Formeln M₇(C,B)₃ und/oder M₂₃(C,B)₆ vorhanden sein, wobei M die Metallkomponente, einschließlich, aber nicht beschränkt auf, Chrom ist. Laves-Phasen der gesinterten Legierung könenn nichtdendritisch, nodular oder unregelmäßig geformt sein. Metallcarbide und/oder Metallboride der gesinterten Legierung können zudem dendritisch sein. 1 veranschaulicht CoMoSi und/oder Co₃Mo₂Si Laves-Phasen 11 und dendritische intermetallische Boride 12 aus hierin beschriebenen gesinterten Co-basierten Legierungsbeschichtungen.
Wie oben beschrieben erfordern einzelne Bestandteile der gesinterten Legierungszusammensetzung ein vorsichtiges Gleichgewicht, um die vorteilhaften Eigenschaften von hoher Härte und Verschleißbeständigkeit zu erreichen, unter Beibehaltung wünschenswerter Korrosionsbeständigkeit und Beständigkeit gegen Rissbildung.
Der Anteil von Molybdän und Silizium der Legierung wird in ausreichender Menge gehalten, um die Bildung von Laves-Phasen für Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit auszulösen. Jedoch sind diese Laves-Phasen nicht so reichlich vorhanden, dass die Duktilität und Schlagfestigkeit der gesinterten Legierung beeinträchtigt werden, was zu Rissbildung und anderen Fehlermechanismen führt.
In ähnlicher Weise sind Kohlenstoff und Bor in den erforderlichen Mengen für die nützliche Bildung von Metallkarbid und Metallborid vorhanden, ohne Komplexbildung oder Abbau großer Mengen von Molybdän als Mo₆C. Konkurrenz für Molybdän kann sich negativ auf sowohl die Laves-Phase als auch die Karbid-Phasenbildung auswirken.
Dieses Gleichgewicht zwischen den einzelnen Legierungsbestandteilen ergibt gesinterte Legierungsbeschichtungen mit den hierin beschriebenen wünschenswerten physikalischen und chemischen Eigenschaften.
Die gesinterte Legierungsbeschichtung kann metallurgisch an das metallische Substrat gebunden sein. Ein Übergangsbereich an der Grenzfläche der gesinterten Legierungsbeschichtung und des metallischen Substrats kann vorhanden sein. Der Grenzflächenübergangsbereich kann im Allgemeinen eine Dicke von weniger als 100 µm, beispielsweise 10-75 µm, aufweisen.
Die hierin beschriebenen gesinterten Legierungsbeschichtungen können jede gewünschte Dicke aufweisen. Eine gesinterte Legierungsbeschichtung kann beispielsweise eine Dicke von 0,05 cm bis 0,5 cm (0,02 Zoll bis 0,06 Zoll) aufweisen. Die gesinterte Legierungsbeschichtung kann eine aus Tabelle IV entnommene Dicke aufweisen. Tabelle IV - Dicke der gesinterten Legierungsbeschichtung (Zentimeter (Zoll))

> 0,076 (0,030)

0,076-0,14 (0,030-0,055)

0,089-0,13 (0,035-0,050)

> 0,2 (0,060)

0,01-0,20 (0,005-0,080)

0,03-0,08 (0,01-0,03)
Substrate, an die hierin beschriebene Beschichtungen gebunden sind, können jedes Metall oder jede Legierung aufweisen, das mit den Aufgaben der vorliegenden Erfindung nicht unvereinbar ist. Das Substrat kann eine Nickel-basierte Legierung aufweisen. Geeignete Nickel-basierte Legierungssubstrate können die im Handel unter den Handelsbezeichnungen erhältlichen INCONEL®, HASTELLOYO und/oder BALCO® umfassen.
Das Substrat kann eine Eisen-basierte Legierung umfassen, einschließlich, aber nicht beschränkt auf, verschiedene Stähle, wie Kohlenstoffstähle, legierte Stähle, Werkzeugstähle oder Edelstähle. Auch kann das Substrat aus der Gruppe ausgewählt werden, die aus IN718, IN625, 300er-Serie von rostfreien Stählen und 400er-Serie von rostfreien Stählen besteht.
Das metallische Substrat kann zudem jede beliebige Funktion oder Anwendung haben. Beispielsweise kann das Substrat eine Komponente eines Fluidsteuersystems sein. Die Substrate könenn Schieber, Ventilkugel und Sitzringe, Pumpenkolben, Pumpengehäuse, Pumpenlaufräder, Pumpenhülsen, Hochdruckverdichterwellen und marine Komponenten umfassen.
Weitere, hierin beschriebene beschichtete Gegenstände finden Anwendung in Erdöl- und/oder Bohranwendungen, der Petrochemie, der Stromerzeugung, der industriellen Nahrungsmittelproduktion sowie in allgemeinen Maschinenbauanwendungen, die Verschleiß, Abnutzung, Korrosion und/oder hohe Temperaturen beinhalten.
III. Verfahren zum Aufbringen von Legierungsbeschichtungen
Erfindungsgemäß werden hierin auch Verfahren zum Aufbringen von Legierungsbeschichtungen auf ein Substrat beschrieben. Das erfindungsgemäße Beschichtungsaufbringungsverfahren umfasst das Bereitstellen einer Pulverlegierungszusammensetzung von 15-25 Gew.-% Chrom, 15-20 Gew.-% Molybdän, 0-15 Gew.-% Wolfram, 10 bis 20 Gew.-% Nickel, 2,5-3,5 Gew.-% Bor, 2,5-4,5 Gew.-% Silizium, 1-2 Gew.-% Kohlenstoff und zum Rest Cobalt, wobei ein Verhältnis von Nickel zu einer Summe von Bor und Silizium in der Legierung [Ni/(B+Si)] im Bereich von 2,0 bis 3,0 liegt und die Pulverlegierungszusammensetzung eine Liquidustemperatur von weniger als 1150°C aufweist. Anschließend wird die Pulverlegierungszusammensetzung auf das Substrat durch ein thermisches Spritzverfahren aufgebracht, wobei das thermische Spritzverfahren aus Hochgeschwindigkeitsflammspritzen (HVOF) und Hochgeschwindigkeitsluftstrom (HVAF, High Velocity Air Fuel) ausgewählt ist. Die aufgebrachte Legierungszusammensetzung wird gesintert, um eine gesinterte Legierungsbeschichtung, die metallurgisch mit dem Substrat verbunden ist, bereitzustellen.
Die Pulverlegierungszusammensetzung kann ferner jede mittlere Teilchengröße, die für thermische Spritz- und Sinterverfahren geeignet ist, einschließlich der in Tabelle I aufgeführten mittleren Teilchengrößen, umfassen.
Thermische Spritzverfahren zum Aufbringen der Pulverlegierung auf das Substrat verwenden im Allgemeinen Hochgeschwindigkeitsgas- oder flüssige Brennstoff-Verfahren, um eine dichte Beschichtung zu erzielen. Erfindungsgemäß können HVOF- und HVAF-Verfahren zum Aufbringen des Legierungspulvers auf das Substrat verwendet werden. Oberflächengeschwindigkeiten und Pulverförderraten werden gesteuert, um Beschichtungen von im Wesentlichen gleichmäßiger Dicke bereitzustellen. In einigen Ausführungsformen liegen die Pulverlegierungs-Förderraten im Allgemeinen im Bereich von 20 bis 120 g/min und Oberflächengeschwindigkeiten von 1 bis 2 m/s (200-400 ft/min). Verfahren, die Oxy-Acetylen-Systeme verwenden, können beispielsweise für das Aufbringen der Pulverlegierung verwendet werden.
Die Substratoberfläche kann auch vor dem Aufbringen der Beschichtung durch thermische Spritzverfahren vorbereitet werden. Die Substratoberfläche kann beispielsweise mit einem geeigneten Lösungsmittel gereinigt und/oder sandgestrahlt werden. Sandstrahlen des Substrats kann einen aufgerauten Oberflächenzustand zur Verbesserung der mechanischen Bindung der Beschichtung auslösen, die durch thermische Spritzverfahren aufgebracht wird. In einigen Ausführungsformen weisen Oberflächen des Substrats in Bereichen, wo die Beschichtung aufgetragen wird, eine Oberflächenrauigkeit von 250 oder größer auf. Bereiche des Substrats, die die Legierungsbeschichtung nicht erhalten, können abgedeckt oder vom Sandstrahlverfahren abgeschirmt werden.
Die Legierungsbeschichtung kann durch jedes beliebige thermische Spritzverfahren zu jeder Dicke aufgebracht werden, die mit den Aufgaben der vorliegenden Erfindung nicht unvereinbar ist. In einigen Ausführungsformen wird die Legierungsbeschichtung mit einer Dicke von 0,01 Zentimeter bis 0,20 Zentimeter (0,005 Zoll bis 0,080 Zoll) aufgebracht. Zusätzliche Dicken der aufgebrachten Beschichtung sind hierin in Tabelle III bereitgestellt.
Sobald die Beschichtung aufgebracht ist, werden die Beschichtung und das Substrat so abgekühlt, um das Erzeugen von Spannungen, die zu Rissbildung und/oder Delamination der Beschichtung führen könnten, zu verhindern. In einigen Ausführungsformen werden die Legierungsbeschichtung und das Substrat langsam an der Luft gekühlt.
Der beschichtete Gegenstand wird anschließend einer Wärmebehandlung unterzogen, um die aufgebrachte Legierungszusammensetzung zu sintern, was zu einer gesinterten Legierungsbeschichtung, die mit dem Substrat metallurgisch verbunden ist, führt.
In einigen Ausführungsformen wird der beschichtete Gegenstand im Vakuum oder unter Inertatmosphäre auf eine Temperatur erwärmt und für einen Zeitraum, der ausreicht, um eine gesinterte Legierungsbeschichtung, die mit dem Substrat metallurgisch verbunden ist, bereitzustellen. Sintertemperaturen und Zeit können an die spezifische kompositorische Identität der aufgebrachten Cobalt-basierten Legierung und/oder die kompositorische Identität des metallischen Substrats angepasst werden. In der Regel können Sintertemperaturen im Bereich von. 1030 °C bis 1150 °C und Sinterzeiten im Bereich von einigen Minuten bis zu mehreren Stunden liegen. Alternativ kann Wärme auf die Cobalt-basierte Legierung für das Sintern direkt angewendet werden. In solchen Ausführungsformen kann ein Brenner oder eine andere Vorrichtung für die lokale Anwendung von Wärme für Sintervorgänge eingesetzt werden. Die daraus resultierende gesinterte Legierungsbeschichtung kann jede der in Abschnitt II beschriebenen Eigenschaften aufweisen. Beispielsweise kann die gesinterte Legierungsbeschichtung Dichte, Härte, Verschleißbeständigkeit, Korrosionsbeständigkeit und mikrostrukturelle Eigenschaften, die in Abschnitt II aufgeführt sind, aufweisen.
Diese und andere Ausführungsformen werden durch die folgenden nicht einschränkenden Beispiele weiter veranschaulicht.
Beispiel 1 - Beschichtete Gegenstände
Pulverlegierung mit einer Zusammensetzung von 18-20 Gew.-% Chrom, 17-18 Gew.-% Molybdän, 11 bis 15 Gew.-% Nickel, 2,7 bis 3,3 Gew.-% Bor, 3,7 bis 4,3 Gew.-% Silizium, 1,3-1,8 Gew.-% Kohlenstoff und zum Rest Cobalt wurde auf Inconel 718 mit HVOF-Proben aufgebracht. Drei Inconel-Substrate wurden in Dicken von ungefähr 0,066 Zentimeter, 0,099 Zentimeter, 0,12 Zentimeter (ungefähr 0,026 Zoll, 0,039 Zoll und 0,049 Zoll) beschichtet. Die HVOF-Bedingungen wurden innerhalb der in Tabelle V festgelegten Parameter beibehalten. Tabelle V - HVOF-Parameter

Geschwindigkeit (m/s (ft/min)) Pulverförderrate (g/min) Dicke/Pass (Zentimeter (Zoll)) Substrattemperatur (°C)

1-2 (200-400) 20-120 > 0,05 (0,002) < 200
Im Anschluss an HVOF wurden die beschichteten Substrate in einen Ofen gelegt und die Co-basierten Legierungsbeschichtungen wurden im Vakuum bei 1070 °C für einen Zeitraum von 30 Minuten bis 2 Stunden gesintert, gefolgt von Ofenabkühlung auf die Alterungstemperatur und Abkühlung auf unter 260 °C. Die 2(a)-(c) sind Querschnittsmikrophotographien von den gesinterten Legierungsbeschichtungen und Inconel-Substraten. Wie in den 2(a)-(c) dargestellt, sind die gesinterten Co-basierten Legierungsbeschichtungen metallurgisch mit den Substraten verbunden und weisen eine einheitliche Mikrostruktur auf. Außerdem sind die gesinterten Co-basierten Legierungsbeschichtungen frei von Rissen und haben keine sichtbare Porosität. Die Härte der gesinterten Co-basierten Legierungsbeschichtung wurde gemäß ASTM E-18-02 Standard-Testverfahren für Rockwell-Härte metallischer Werkstoffe gemessen, und als 63 HRC und 63 HRC und 62 HRC bestimmt. Diese Härtewerte haben jene der HVOF-Sinter-Aufschmelzbeschichtungen überschritten, die durch Colmonoy 88 und Deloro 75; wie in Tabelle VI festgelegt, bereitgestellt wurden. Tabelle VI - Beschichtungshärte (HRC)

Legierung Zusammensetzung Durchschnittliche Härte

Colmonoy 88 Ni-15Cr-15,5W-0,6C-3B-4Si 59

Deloro 75 Ni-16Cr-2,5Mo-0,7C-3,5B-4,5Si 54
Außerdem zeigten die gesinterten Co-basierten Legierungsbeschichtungen Erosionsraten von 0,041-0,043 mm³/g bei einem Teilchenauftreffwinkel von 90 gemäß ASTM G76-07 - Standard-Testverfahren für die Durchführung von Erosionstests durch festen Teilchenaufprall mittels Gasdüsen. Zu Vergleichszwecken war diese Erosionsverschleißbeständigkeit ähnlich wie die von der Kennametal, Inc. im Handel erhältlichen WC219. WC219 ist eine Plattierung aus Metall-Matrix-Verbundwerkstoff mit Wolframkarbid (WC) Partikelbeladung von 48 Gew.-% in Ni-Cr-Matrix-Legierung.

Claims

Verfahren zum Aufbringen einer Beschichtung auf ein Substrat, das Folgendes umfasst: Bereitstellen einer Pulverlegierungszusammensetzung, die 15-25 Gew.-% Chrom, 15-20 Gew.-% Molybdän, 0-15 Gew.-% Wolfram, 10-20 Gew.-% Nickel, 2,5-3,5 Gew.-% Bor, 2,5-4,5 Gew.-% Silizium, 1-2 Gew.-% Kohlenstoff und zum Rest Cobalt umfasst, wobei ein Verhältnis von Nickel zu einer Summe von Bor und Silizium in der Legierung [Ni/(B+Si)] im Bereich von 2,0 bis 3,0 liegt und die Pulverlegierungszusammensetzung eine Liquidustemperatur von weniger als 1150°C aufweist; Auftragen der Pulverlegierungszusammensetzung auf das Substrat durch ein thermisches Spritzverfahren, wobei das thermische Spritzverfahren aus Hochgeschwindigkeitsflammspritzen (HVOF) und Hochgeschwindigkeitsluftstrom (HVAF, High Velocity Air Fuel) ausgewählt ist; und Sintern der aufgebrachten Legierungszusammensetzung, um eine gesinterte Legierungsbeschichtung, die metallurgisch an das Substrat gebunden ist, bereitzustellen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die gesinterte Legierungsbeschichtung weniger als 2 Vol.-% Porosität aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die gesinterte Legierungsbeschichtung einen AVL von weniger als 20 mm³ gemäß ASTM G65, Verfahren A, aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die gesinterte Legierungsbeschichtung eine Härte von 55-70 HRC aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die gesinterte Legierungsbeschichtung eine Härte von 57-64 HRC aufweist.