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Aufbringen eines Überzuges auf eine Molybdän-Grundlage im Diffusionsverfahren
Die Erfindung bezieht sich auf das Aufbringen eines bei hohen Temperaturen oxydationsfesten
überzuges auf eine Molybdän-Grundlage im Diffusionsverfahren.
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Für viele Anwendungszwecke der Technik sind Metallteile erforderlich,
die sehr hohen Temperaturen oder auch schnellbewegten Massen unterworfen werden
und die dabei ihre mechanische Festigkeit beibehalten müssen. Solche Metallteile
sind z. B. Teile von Gasturbinen, von Reaktoren, Leitkanten von Geschossen u. a.
Es sind für diese Anwendungsfälle hitzebeständige Metalle verwendet worden, nämlich
Molybdän und seine Legierungen, die diese Festigkeitseigenschaften besitzen. Diese
Metalle haben jedoch den Nachteil, daß sie unter den geschilderten Bedingungen auf
ihren Oberflächen stark angreifbar durch Oxydation, Korrosion oder Erosion sind.
Diese Metalle sind daher bereits mit Schutzüberzügen versehen worden.
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Bei den bekannten Verfahren zum Überziehen derartiger Metallteile
haben sich eine Reihe von Nachteilen ergeben. Diese Nachteile sollen am Beispiel
des Molybdäns und seiner Legierungen betrachtet werden. Molybdän und seine Legierungen
sind besonders angreifbar durch Oxydation bei hohen Temperaturen. Molybdän und seine
Legierungen besitzen ferner bestimmte charakteristische Eigenschaften, die die Arten
von oxydationsfesten Überzügen begrenzen, deren Anwendung zur Erhöhung der Oxydationsfestigkeit
bei hohen Temperaturen bisher möglich war. Die Metalle haben die gewünschte Festigkeit
und Streckbarkeit, wenn sie sich in einem bestimmten metallurgischen Zustand befinden,
andere metallurgische Zustände sind jedoch unerwünscht spröde und brüchig. Wenn
Molybdän für eine längere Zeitspanne bei hohen Temperaturen, insbesondere in einem
Vakuum, gehalten wird, so geht die Mikrostruktur des Molybdäns von einer feinkörnigen,
streckbaren Struktur in eine grobkörnige Struktur über, die zu einem Spröde-und
Brüchigwerden des Metalls und seiner Legierungen führt. Es verbieten sich daher
überzugsverfahren, die den Einfluß von hohen Temperaturen während einer längeren
Zeitspanne erfordern, da während des Überziehens die nachteilige Strukturumwandlung
auftritt. Vielmehr wird die Lebensdauer des Metalls bei seiner Anwendung bei hohen
Temperaturen um so größer sein, je näher die Struktur des Molybdäns während des
überziehverfahrens an ihrem feinkörnigen Zustand gehalten werden kann.
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Bei einem bekannten überzugsverfahren wird Chrom durch Diffusionsglühen
auf das zu schützende Metall aufgetragen. In diesem Verfahren wird das Molybdän
Chrom oder einer reagierenden Chromverbindung bei erhöhten Temperaturen ausgesetzt,
wobei das Chrom einen Niederschlag auf der Oberfläche des Molybdäns bildet. Dieses
Chrom diffundiert danach nach innen und baut eine Schicht aus chromreichen Molybdänverbindungen
auf der Oberfläche des Gegenstandes auf. Jedoch bieten diese chromierten Überzüge
nur sehr beschränkten Widerstand gegen Oxydation bei hohen Temperaturen, die über
1200° C liegen; sie wurden als ungenügend für Anwendung in der Höhe von 1650° C
befunden. Ferner erzeugt eine längere Behandlung durch das Chromierverfahren wegen
der angewandten thermodynamischen Vorgänge im üblichen Chromierverfahren für Molybdän
keinen stärkeren oder korrosionsfesten Überzug, da die unbegrenzte Lösbarkeit von
Chrom und Molybdän im festen Zustand eine Diffusion des Chroms in die Molybdän-Grundlage
in einem Maße verursacht, das gleich oder höher als. das Maß des Niederschlags ist.
Dies bedeutet, daß auch eine verlängerte Behandlung durch übliche Chromierverfahren
nicht zu einer Oberfläche führt, die an Chrom reich genug ist, um einer Oxydation
bei den gewünschten hohen Temperaturen zu widerstehen. Außerdem führt diese wechselseitige
Lösbarkeit zu einer einwärts gerichteten Diffusion des Chroms während der Verwendung
bei hohen Temperaturen. Infolgedessen wird die mit Chrom behandelte Oberfläche bei
der Verwendung des überzogenen Teils
fortschreitend ärmer an Chrom,
was schließlich zu einem Ausfall eines Teils durch Oxydation führt.
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Ein anderes bekanntes Verfahren zum überziehen von Molybdän und seinen
Legierungen besteht in der Aufbringung von Silizium durch Diffusionsglühen zur Erzeugung
einer oxydationsfesten Oberfläche von Molybdänsiliciden. Jedoch wurde festgestellt,
daß das Silizium bei seinem Niederschlag auf Molybdän nach innen diffundiert und
eine Reihe von Molybdän-Silizium-Verbindungen verschiedener Zusammensetzung bildet.
Zum Beispiel besteht ein teilweise mit Silizium durch Diffusionsglühen überzogenes
Molybdän oder eine Molybd'änlegierung aus einem Kern aus reinem Molybdän oder reiner
Molybdänlegierung, die von einer Schicht aus Trimolybdänsilicid bedeckt ist; diese
Schicht ist von einer Schicht aus Trimolybdändisilicid bedeckt und diese wiederum
von einer weiteren Schicht aus Molybdändisilicid. Die Oberflächenschicht besteht
allgemein aus Molybdändisilicid, das höchst oxydationsfest bei hohen Temperaturen
ist. Jedoch sind die Zwischenschichten aus Trimolybdänsilicid und Trimolybdändisilicid
unstabil und spröde und weisen einen fhermischenAusdehnungskoeffizienten auf, der
sich beträchtlich von dem der Molybdänlegierung und dem der Oberflächenschicht aus
Molybdändisilicid unterscheidet. Diese chemische Unstabilität und Unterschiede im
Ausdehnungskoeffizienten machen den Überzug empfindlich gegenüber thermischen Stoßbeanspruchungen
und damit derartige Überzüge für Verwendung bei hohen Temperaturen ungeeignet.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben,
bei dessen Durchführung die geschilderten nachteiligen Wirkungen der bekannten Verfahren
auf die Metallgrundlage vermieden werden und durch das dem überzogenen Grundmetall
eine hohe Festigkeit und Beständigkeit unter den geschilderten Anwendungsfällen
gegeben wird, welche Eigenschaften auch bei längerer Einwirkung der geschilderten
Einflüsse voll erhalten bleiben sollen.
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Dies wird nach der Erfindung dadurch erreicht, daß zunächst durch
-Aufbringen von Chrom eine Molybdän-Chrom Zwischenschicht und auf dieser Zwischenschicht
ein Molybdän Disilicid-überzug hergestellt wird. Zweckmäßig wird dabei so verfahren,
daß die Molybdän-Grundlage in eine Mischung aus metallischem Chrompulver, einem
flüchtigen Halogenid, Harnstoff und inertem Füllstoff verpackt in einer verschlossenen
Kammer auf eine Temperatur zwischen 955 und 1125° C für die Dauer einer Zeitspanne
von 1/2 Stunde bis 5 Stunden erhitzt wird,. die Kammer danach schnell auf Raumtemperatur
abgekühlt und die Molybdän-Grundlage entfernt wird und daß darauf die Molybdän-Grundlage
in eine zweite Mischung aus metallischen Molybdän- und Siliziumpulvern, einem flüchtigen
Halogenid und einem inerten Füllstoff gepackt und in einer verschlossenen Kammer
auf eine Temperatur von ungefähr 1035 bis 1150° C für die Dauer einer Zeitspanne
von 1/2 Stunde bis -10 Stunden erhitzt und danach schnell auf Raumtemperatur abgekühlt
wird. Durch die Erzeugung eines zweischichtigen Überzuges mit einer Sperrschicht
zwischen dem Grundmetall und dem äußeren Schutzüberzug gelingt es, die Zusammensetzung
des Schutzüberzuges und des Grundmetalls bei den geschilderten hohen Beanspruchungen
unter hohen Temperaturen bei der Anwendung aufrechtzuerhalten, so daß die geschilderten
schädlichen Umwandlungsvorgänge vermieden werden. Ferner wird der Vorteil erzielt,
daß das Verfahren in kurzer Zeit bei verhältnismäßig niedrigen Temperaturen durchgeführt
werden kann, wodurch die unerwünschte Rekristallisation des Grundmetalls mit ihren
schädlichen Wirkungen, insbesondere der Versprödung des Grundmetalls, verhindert
wird.
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Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird so verfahren,
daß die Molybdän-Grundlage in eine verschlossene Reaktionskammer gegeben, die Luft
in der Kammer danach evakuiert, die Molybdän-Grundlage auf eine Temperatur zwischen
785 und 1205° C für die Dauer einer Zeitspanne von 1/2 Stunde bis 10 Stunden erhitzt
und während dieser Zeit einem. Dampf aus einem Chromhalogenid und Wasserstoff ausgesetzt
wird und danach die Molybdän-Grundlage einem zweiten Dampf aus Wasserstoff, einem
Molybdänhalogenid und einem Siliziumhalogenid bei einer Temperatur zwischen 785
und 1095° C für die Dauer einer Zeitspanne von 1/4 Stunde bis 5 Stunden ausgesetzt
wird.
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Im folgenden werden mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung in
Verbindung mit der Zeichnung an Hand von Verfahren zum überziehen von Molybdän und
Molybdänlegierungen beschrieben.
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Der Grundgedanke der Erfindung richtet sich darauf, eine Zwischenschicht
zwischen der Molybdän-. Grundlage und dem äußeren Überzug aus Molybdän disilicid
zu schaffen, die mit der Grundlage und mit dem Überzug verträgliche Eigenschaften
und eine ausreichend niedrige Diffusionsfähigkeit für Molybdän aufweist, so daß
sie als Sperre für die nach außen zum Überzug gerichtete Diffusion von Molybdän
wirkt und dadurch die unerwünschte Änderung in der Zusammensetzung und die Bildung
von Zwischenverbindungen aus Molybdän und Silizium während der überzugsstufe und
später bei der Anwendung bei hohen Temperaturen verhindert.
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Damit diese Sperrschicht in diesem Sinn wirkt, muß sie zu einem großen
Teil aus anderen Metallen als Molybdän und Silizium bestehen. Außerdem müssen diese
anderen Metalle bei den Temperaturen, denen Molybdän und Molybdänlegierungen bei
ihrer Anwendung unterworfen werden, hitzebeständig sein. Vorzugsweise sollten sie
außerdem gegenüber Oxydation beständig sein, so daß sie einen zusätzlichen Schutz
der Molybdän-Grundlage während der Anwendung bieten. Es eignen sich für diesen Zweck
viele der hitzebeständigen Metalle, z. B. Chrom, Tantai, Kobalt, Wolfram, Zirkon
u. a. Es hat sich jedoch in der Praxis Chrom als besonders geeignet erwiesen. Chrom
ist nicht nur selbst als ein oxydationsfester Überzug verwendet worden, der sich
bei niedrigeren Temperaturen als die Molybdändisilicidüberzüge als wirksam erwiesen
hat, sondern es sind außerdem Chrom-Molybdän-Legierungen mit dem Molybdändisilicidüberzug
verträglich. Ferner ist Chrom selbst im wesentlichen widerstandsfähig. gegenüber
Oxydation bei hohen Temperaturen. Es wurde festgestellt, daß das Aufbringen eines
Überzugs aus Chrom durch Inchromieren auf die Molybdän-Grundlage befriedigende Ergebnisse
erzielt. Das Chrom diffundiert nach innen in das Molybdän und bildet einen Überzug,
die Sperrschicht, aus einer Molybdän-Chrom-Legierung, die selbst einen wesentlichen
Schutz der Molybdän-Grundlage bewirkt. Wenn Molybdän und Silizium mittels des Einzackverfahrens
auf die Oberfläche dieses Überzugs in
richtig gesteuertem Maße aufgebracht
werden, tritt lediglich die Bildung von Molybdändisilicid ein. Aus der Sperrschicht
nach außen diffundiert eine wesentlich geringere Menge Molybdän, als es der Fall
wäre, wenn dieser Überzug auf die Grundlage aus reinem Molybdän aufgebracht würde,
wodurch die Bildung unerwünschter Zwischenverbindungen vermieden wird.
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Die Erfindung wird an Hand der folgenden Ausführungsbeispiele näher
erläutert.
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Beispiel I Der zu überziehende Gegenstand wird in ein Pulver der folgenden
Zusammensetzung eingebettet:
Chrompulver ............ 5 bis 25,D/o |
Halogenamonium ........ 0,2 bis 5 % |
Harnstoff ................ 0,05 bis 2,0% |
Inerte Füllstoffe .......... 70 bis 90% |
Der Gegenstand wird sorgfältig in die obige Mischung eingebettet und danach in einer
Reaktionskammer verschlossen. Diese Kammer wird danach auf eine Temperatur zwischen
955 bis 1125° C für eine Dauer von 1/2 Stunde bis 5 Stunden, abhängig von der Tiefe
des gewünschten Überzugs, erhitzt, wodurch das Chrom auf der Oberfläche der Molybdän-Grundlage
niederschlägt und nach innen diffundiert. Die Kammer wird danach schnell auf Raumtemperatur
abgekühlt (innerhalb einer Zeitspanne von 1 bis 5 Minuten, abhängig von der Größe
der Reaktionskammer), um ein Kornwachstum in der Molybdän-Grundlage möglichst zu
vermeiden. Die Reaktionskammer wird danach geöffnet und der mit der Sperrschicht
überzogene Molybdängegenstand aus dem Pulver entfernt und mit geeigneten Mitteln,
z. B. Bürsten, Sandstrahlen od. dgl., gereinigt.
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Der in der beschriebenen Weise vorübergezogene Molybdängegenstand
wird danach in eine Mischung eingebettet, die die folgende Zusammensetzung aufweist:
Molybdänpulver ........... 5 bis 15 % |
Siliziumpulver ............. 10 bis 3011/o |
Halogenamonium .......... 2 bis 8 0/0 |
Inerte Füllstoffe ........... 50 bis 80 0/0 |
Der Gegenstand wird sorgfältig in das Pulver der obigen Zusammensetzung eingepackt
und in eine Reaktionskammer gebracht, die sorgfältig abgedichtet wird. Die Kammer
wird danach auf eine Temperatur von ungefähr 1040 bis 1150° C für die Dauer von
1/2 bis 10 Stunden erhitzt, abhängig von der Größe des Teils und der Dicke des gewünschten
Überzugs. Die überzugsmischung zersetzt sich und schlägt eine Schicht aus Molybdändisilicid
auf der Sperrschicht nieder, wobei sie einen geschlossenen anhaftenden Überzug aus
Molybdändisilicid auf der gesamten Oberfläche des Teils bildet. Am Ende des überzugszyklus
wird die Reaktionskammer ebenfalls schnell auf Raumtemperatur abgekühlt, um Veränderungen
in der Korngröße des Molybdäns durch hohe Temperaturen möglichst zu vermeiden.
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Es wurde festgestellt, daß man bei Anwendung des oben beschriebenen
Verfahrens einen Gegenstand aus Molybdän erhält, der eine im wesentlichen unveränderte
Mikrostruktur aufweist, d. h., daß praktisch überhaupt keine Versprödung der durch
das obige Verfahren überzogenen Teile beobachtet werden konnte. Die gesamte Oberfläche
des Molybdäns wird vollständig durch den kohärenten überzug aus Molybdänsilicid
geschützt. Diese Teile widerstehen den Einwirkungen hoher Temperaturen für lange
Zeitspannen, wie in der Tabelle I weiter unten gezeigt wird. Beispiel II Wenn das
Dampfniederschlagsverfahren angewendet wird, wird der Gegenstand aus Molybdän zunächst
vollständig gereinigt und danach in eine luftdichte Reaktionskammer gehängt, die
sorgfältig verschlossen wird. Die innerhalb dieser Reaktionskammer befindliche Luft
wird evakuiert und die Kammer danach vorzugsweise mit Argon gereinigt, um alle Sauerstoffspuren
zu entfernen. Dieses Argon wird danach durch Wasserstoff ersetzt. Darauf wird die
Kammer auf eine Temperatur von ungefähr 790 bis 1200° C für eine Zeitspanne von
1/2. bis 10 Stunden erhitzt, abhängig von der Größe des Gegenstandes und der Tiefe
des geforderten Überzuges. Während dieser Zeitspanne wird die Kammer mit einer gasförmigen
Mischung aus einem Chromhalogenid und reinem trockenem Wasserstoff gespeist, vorzugsweise
im Verhältnis von ungefähr 1:2. Der Druck innerhalb der Reaktionskammer wird vorzugsweise
unter atmosphärischen Druck gebracht und z. B. bei einem Druck von 10-g Atm gehalten.
Die abgesogene Dampf-Gas-Mischung kann zu einem Abscheider in einem Kondensator
zur Rückgewinnung des unbenutzten Chromhalogenids geleitet werden.
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Nachdem das Verfahren für die Dauer der erforderlichen Zeitspanne
durchgeführt worden ist, wird die Kammer schnell auf Raumtemperatur abgekühlt, um
unnötige Einwirkung hoher Temperaturen auf den Molybdänanteil zu vermeiden. Die
Kammer wird danach geöffnet, der mit der Sperrschicht überzogene Gegenstand wird
herausgenommen und ist danach für die zweite Stufe des Überzugsverfahrens bereit.
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Der äußere Überzug wird auf diesen vorübergezogenen Gegenstand in
der oben beschriebenen Weise aufgebracht. Der mit der Sperrschicht überzogene Gegenstand
wird in eine luftdichte Reaktionskammer gehängt und die Kammer sorgfältig verschlossen.
Danach wird die Luft in dieser Reaktionskammer evakuiert, die Kammer mit Argon gefüllt
und danach eine Mischung aus Wasserstoff und Argon für dieses Verfahren auf eine
Temperatur von ungefähr 790 bis 1100° C erhitzt. Die Kammer wird danach mit Molybdänpentahalogenid
in Dampfphase, Siliziumtetrahalogenid und reinem Wasserstoffgas gespeist. Die Flußverhältnisse
dieser drei Reaktionskomponenten werden vorzugsweise in einem Verhältnis von ungefähr
1 zu 2 zu 7 gehalten.
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Der Druck in der Reaktionskammer wird vorzugsweise unter halbatmosphärischem
Druck gehalten. Die abgesaugte Dampf-Gas-Mischung wird z. B. zu einem Abscheider
oder einem Kondensator geleitet, um die unbenutzten Molybdän- und Silizium-Verbindungen
zurückzugewinnen.
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Diese Erhitzung wird für eine Zeitspanne von 1/4 bis 5 Stunden fortgesetzt,
abhängig von der Dicke des gewünschten äußeren Überzuges,, die wiederum von den
Anforderungen bei der Anwendung des Gegenstandes abhängen. Nachdem der Niederschlag
des äußeren Überzuges beendet ist, wird die Reaktionskammer schnell auf Raumtemperatur
abgekühlt
(während einer Zeitspanne von 1 bis 5 Minuten je nach
Größe der Reaktionskammer), um den Molybdänanteil den hohen Temperaturen nur möglichst
kurze Zeit auszusetzen.
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Wenn die Verfahren in der oben beschriebenen Art, nämlich entweder
durch das Einbettungsverfahren oder das Dampfniederschlags-Diffusions-Verfahren,
ausgeführt worden sind, ergibt sich ein Zweischichtenüberzug. Die Zusammensetzung
der Grundlage besteht im wesentlichen aus reinem Molybdän oder reiner Molybdänlegierung.
Die Zusammensetzung der Zwischen- oder Sperrschicht besteht im wesentlichen aus
Chrom-Molybdän-Legierungen verschiedener Zusammensetzungen. Die Zusammensetzung
der oberen oder Schutzschicht besteht im wesentlichen aus reinem Molybdändisilicid,
das durch keine anderen Molybdän-Silizium-Verbindungen verunreinigt ist.
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Die Ergebnisse der oben beschriebenen Verfahren werden aus der folgenden
Tabelle klar ersichtlich.
Daten von Versuchen auf Oxydationsbeständigkeit der Überzüge |
auf verschiedenen Molybdän-Grundlagen |
Dicke der Dicke des Beständigkeit |
Grundlage überzugs GRYddions- gegenüber beständigkeit thermischen
Streckbarkeit Bemerkungen |
mm mm Schocks |
1,016 0,066 1425° C Luftgekühlt Grundlage war spröde |
2 Stunden wie im empfangenen |
Zustand |
0,508 0,066 1425° C Luftgekühlt Auf 45° gebogen, Grundlage
war |
30 Minuten kein Fehler streckbar wie im |
empfangenen Zustand |
0,508 0,066 1453° C Luftgekühlt Weiter gebogen auf |
30 Minuten 60°, kein Fehler |
(gebogen) |
0,508 0,066 1453° C Mit kalter Luft Überzug geringfügig Grundlage
war |
30 Minuten iangeblasen zerbröckelt beim nachdem Versuch |
Biegen; nach An- streckbar |
blasen mit Luft |
0,762 0,066 1647° C Mit kalter Luft Überzug geringfügig Grundlage
war |
20 Minuten -angeblasen beschädigt beim streckbar wie im |
(leicht blasig) Biegen nach An- empfangenen Zustand |
blasen mit Luft |
1,016 0,066 1647° C Mit kalter Luft Grundlage war spröde |
15 Minuten ;angeblasen wie im empfangenen |
Zustand |
1,016 0,066 1647° C Mit kalter Luft |
30 Minuten angeblasen |
(blasig) |
0;762 0;071 1536° C Auf 60° gebogen nach Grundlage war |
10. Stunden Oxydationstest, kein streckbar wie im |
(intermiitierend) Fehler empfangenen Zustand |
Keine Risse oder |
anderen Fehler wurden |
nach den Versuchen |
im Überzug festgestellt |
Diese Tabelle zeigt die Ergebnisse von vorbereitenden Oxyacetylentests an Mustern
von handelsüblichem reinem Molybdän, das in der oben beschriebenen Weise mit einer
Sperrschicht aus Chrom-Molybdän und einer Außenschicht aus Molybdändisilicid überzogen
worden ist. Die Muster wurden auf die in Spalte 3 angegebenen Temperaturen für die
Dauer der angegebenen Zeitspanne erhitzt. Sie wurden danach abgekühlt, wie in Spalte
4 beschrieben. Einige Muster wurden danach zu verschiedenen Winkeln gebogen, um
die Streckbarkeit der Muster zu untersuchen. Es wird bemerkt, daß keines der Muster
außer den zwei zuletzt gezeigten irgendwelche Zeichen von Oberflächenoxydation aufwies.
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Bei Anwendung des Verfahrens nach der Erfindung gelingt es, eine metallische
Grundlage mit einem äußeren Überzug von gewünschter Zusammensetzung zu versehen,
der durch Zwischenschichten nicht verunreinigt ist, die durch wechselseitige Diffusion
des Überzugs und der Grundlage verursacht werden könnten. Metallische Teile gewünschter
Zusammensetzung können durch Diffusionsglühen mit einem gewünschten Überzug versehen
werden. Durch Wahl
der richtigen Sperrschichten kann jedes Metall
mit dem jeweils richtigen überzug bestimmter Zusammensetzung versehen werden.