DE1952370B2

DE1952370B2 - Alitierungsverfahren

Info

Publication number: DE1952370B2
Application number: DE19691952370
Authority: DE
Inventors: Donald Herbert; Goward George William; North Haven Conn. Boone (V.StA.). C23c 11-02
Original assignee: United Aircraft Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 1968-10-25
Filing date: 1969-10-17
Publication date: 1972-07-20
Also published as: CH540346A; DE1952370A1; NL153276B; SE344767B; FR2021543A1; NL6915857A; BE740776A; ES372871A1; GB1258833A; US3544348A

Description

der ganzen Werkstückoberfläche wieder ein Überzug mit gleicher Stärke herstellen läßt, d.h. mit dem der Überzug selektiv auf die erodierter. Bereiche aufgebracht werden kann.

Diese Aufgabe wird mit dem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß die an der Oberfläche gereinigten, in dem aktivierten Alitierpulvergemisch eingebetteten beschädigten Werkstücke eine bis vier^ Stunden lang auf eine Temperatur von 649 bis 871 °C erhitzt und dann einer DifTusionswärmebehandlung zwischen 1038 und 1204° C unterworfen werden.

Versuche haben gezeigt, daß in einem Alitierungsbett. dessen Aluminiumaktivität zu einem Überzug aus Monoaluminid als Gleichgewichtsphase oder zu anderen Phasen mit niedrigem Aluminiumgehalt führt, sich der Überzug dadurch bildet, daß Nickel aus der Grunilegierung herausdiffundiert und sich der Überzug auf der Grundlegierung bildet, d. h. das

es zweckmäßig, die Überholungsbehandlung der Werkstücke bereits vor einem solchen Angriff vorzunehmen.

Die jeweilige Zusammensetzung des Alitierungsbettes sowie die Größen des Überzugs stehen in engem Zusammenhang mit der Zusammensetzung der Grundlegierung des zu behandelnden Werkstoffe. Anhand weniger Versuche kann jedoch die erforderliche hohe Aluminiumaktivität sowie Behandlungstemperatur und -dauer innerhalb der angegebenen Bereiche ausgewählt werden, wobei bekannt ist, daß die Abhängigkeit zwischen der Behandlungszeit und der Überzugsdicke eine Parabelfunktion ist.

Anhand der nachstehenden Versuche wird die Erfindung näher erläutert.

In einem ersten Versuch wird ein Slab aus der Grundlegierung, deren Zusammensetzung vorstehend unter IV aufgeführt ist, durch Aufschlämmung mit einer Schicht von 76 μ überzogen und 100 Stunden

Aluminium bleibt dabei in dem Überzug. Wenn ande- 20 lang in einer oxydierend und erodierend wirkenden rerseits die Aluminiumaktivität zur Bildung eines Umgebung bei 1149°C belassen. Beim ersten Anzeichen einer Durchdringung des Überzugs bzw. einer

Oxydation der Grundlegierung. was durch Auftreten des blaugrünen nickelreichen Oxyds erkennbar wird, wird der Versuch abgebrochen. Der Stab wird in der erodierten Zone durchgeschnitten. Das eine Teilstück wird metallographisch untersucht, während das andere Teil in einem Alitierungsbett mit hoher Aluminium •aktivität IV₂ Stunden lang bei 760°C erneut über-

zeigt eine Durchdringung des Überzugs im Bereich der erodierten Zone und Bildung des charakteristisehen grünen Oxyds. Der nicht erodierte Teil des Überzugs des Stabes, der sich in Bereichen sehr hoher Temperatur befand, enthält kein Nickelaluminid mit hohem Aluminiumgehalt mehr. In dem Be reich der Überzugsschicht, in welchem Phasen aus

zur Bildung eines

Überzugs aus Ni₂Al₃ als Gleichgewichtsphase oder
aus Phasen mit höherem Aluminiumgehalt führt, diffundiert Aluminium in die Grundlegierung hinein,
d.h. das Nickel zur Bildung des Aluminids bleibt in- 25
ncrhalb der Grundlegierung. Ein hauptsächlich die
Ni,Al₃-Phase enthaltender Überzug ist jedoch sehr
spröd. Eine anschließende Wärmebehandlung führt
zur Bildung der duktileren NiAl-Phase. Da nach Entfernung des Werkstücke-, aus ,.'.τη Alitierungsbett die 30 zogen und anschließend^vier Stunden lang einer Wärhohe Aluminiumaktivität nicht mehr vorhanden ist. mebehandlung bei 1093° C unterworfen wird, findet nun eine Diffusion des Ni. kels in die Grundlegierung sowie eine Diffusion des Aluminiums aus der
Ni₂Al₃ Phase unter Bildung einer NiAl-Schicht in das
Grundmaterial statt. 35

Bei einem zu reparierenden Werkstück haben die
nicht beschädigten Zonen noch einen sehr hohen Aluminiumgehalt, beispielsweise 30%. während der Aluminiumgehalt der beschädigten bzw. erodierten
Zonen sehr niedrig ist. beispielsweise bei 5 % liegt. In to Nickelfeststofflösung bzw. aus Ni₃Al vorliegen, ist dem Alitierungsbett. in dem nun eine NiAl-Phase mit eine dünne Schicht von Carbiden vorhanden, einem Aluminiumgehalt zwischen 30 und 40% gebil- Bei dem erfindungsgemäß behandelten Teilstück ist

der angegriffene Bereich sowie der Bereich mit der Carbidschicht gleichmäßig überzogen, wobei lediglich eine geringfügige Vertiefung in der Überzugsoberfläche der erodierten Zone erkennbar ist. Die Bereiche des Teilstücks, die sich in Bereichen geringerer Temperatur befanden, zeigen vor dem erneuten Überziehen mit dem erfindungsgemäßen Verfahren eine Aluminiumverarmung, wobei an den Korngrenzen des Aluminids die Ni₃Al- Phase vorhanden ist. Nach der Behandlung mit dem erfindungsgemäßen Verfah ren hat man das duktile Aluminid mit einer etwas anderen Carbidmorphologie als bei dem ursprünglichen

wurde. In den ursprünglich angegriffenen Bereichen, ii Probestück, ohne daß dadurch Nachteile entstehen, wo nahezu ein völlig neuer Überzug gebildet wird. In einem zweiten Versuch wird ein Stab der glei-

wurden jedoch relativ große Aluminiummengen absorbiert, d.h. der neue Überzug hat die erforderliche

det wird, deren Duktilität bei Temperaturen unter 816° C niedrig ist und die deshalb zur Rißbildung neigt, deren Oxydationswiderstand jedoch groß ist. werden in den unbeschädigten Bereichen 10% Aluminium, in den angegriffenen Bereichen jedoch 35 % Aluminium absorbiert. Bei der sich anschließenden Wärmebehandlung zur Bildung der duktilen Phase mit niedrigerem Aluminiumgchalt tritt bei den ur sprünglich nicht angegriffenen Zonen gar kein oder nur ein minimales Wachstum des Überzuges auf. da in diesen Bereichen während der Behandlungsstufe im Alitierungsbett nur sehr wenig Aluminium absorbiert

Dicke im Bereich der erodierten Zone erreicht, wähchen Legierung mit dem gleichen Überzug in eine oxydierend und erodierend wirkende Atmosphäre von

.... „. ..„„ „.. 1149°C eingebracht. Bereits nach 50 Stunden stellen

rend die Zunahme der Stärke in den ursprünglich 60 sich lokale Uberzugsschäden ein, die bis auf die nicht beschädigten Bereichen unbedeutend ist. Insge- Grundlegierung gehen. Nach Fortführung des Versamt ist die Stärke des Überzugs nach Abschluß der suchs bis zum lirreicrieri von 100 Stunden stellt man Behandlung an allen Stellen der Oberfläche wieder na- eine übermäßige Beschädigung der Grundlegierung in hezu gleich. d^em Bereich fest, wo der Stab hohen Temperaturen

Obwohl das erfindungsgemäßc Verfahren auch 61 ausgesetzt war. Der Stab wird nun mit einem Dampfdann verwendbar ist. wenn die Oberfläche der Grund- gebläse gereinigt und nach dem erfirtdungsgerriäßen legierung bereits angegriffen ist. was durch das gebil- Verfahren erneut überzogen. Dann wird der Stab 60 detete blaugrüne nickelreiche Oxyd erkennbar ist. ist Stunden lang bei einer Temperatur von 1149°C wie-

derum untersucht, bis wiederum eine Beschädigung des Überzuges eintritt. Nach erneuter Reinigung und erneuter Aufbringung eines Überzugs von 89,« Stärke, wird der Stab ein drittes Mal bei ] 149° C in einer oxydierend und erodierend wirkenden Atmosphäre ί ausgesetzt. Nach 80 Stunden in dieser Atmosphäre ist der Überzug noch glatt und frei von Erosionen. Die Oberfläche des im Bereich hoher Temperatur befindlichen Stabteils hat eine geringe Vertiefung von 76 bis 127,//. was auf die in der zweiten Versuchs- in stufe erfolgte Grundmaterialoxydierung zurückzuführen ist. Die Lebensdauer der Grundlegierung auf Nik-

kelbnsis des Werkstückes ist somit um das Dreifache der bisher üblichen Lebensdauer verlängert worden und kann weiter verlängert werden. In den nicht angegriffenen Bereichen ist die Zunahme der Überzugsstärke äußerst gering. Das erfindungsgemäße Alitierungsverfahren ermöglicht somit die wiederholte Wiederverwendung von sehr aufwendig herzustellenden Werkstücken aus wertvollen Legierungen, so daß man in Kenntnis dieser einfachen Überholungsweise mit höheren Temperaturen arbeiten kann. Die dadurch erreichten Vorteile wiegen jedoch die öfteren Überholungen auf.

Claims

Alitierungsverfahren fur die Überholung und die Reparatur von Superlegierungswerkstücken, die einer starken Erosion in oxydierender Umgebung > bei hohen Temperaturen ausgesetzt sind, wobei die Werkstücke in ein Alitierpulvergemisch mit einem Aluminiumgehalt von 5 bis 20 Gewichtsprozent eingebettet werden, dadurch gekennzeichnet, daß die oberflächengereinigten. in dem in aktivierten Alitierpulvergemisch eingebetteten beschädigten Werkstücke eine bis vier Stunden lang auf eine Temperatur von 649 bis 871° C erhitzt und dann einer DifTusionswärmebehandlung zwischen 1038 und I204°C unterworfen werden. π

Die Erfindung betrifft ein Alitierungsverfahren für die Überholung und die Reparatur von Superlegierungswerkstücken, die einer starken Erosion in oxy- ^ls dierender Umgebung bei hohen Temperaturen ausgesetzt sind, wobei die Werkstücke in ein Alitierpulvergemisch mit einem Aluminiumgehalt von 5 bis 20 Gewichtsprozent eingebettet werden.

Bekanntlich werden bei modernen Gasturbinen die '" bezüglich ihrer Festigkeit hochbeanspruchten Werkstücke, beispielsweise die Schaufeln, mit einem Schutzüberzug versehen, wobei das Grundmaterial des Werkstückes zur Aufrechterhaltung der Fesiigkeit dient und der Überzug zu einer Verlängerung der Le- " bensdauer der Werkstücke führen soll, die durch die bei den hohen Temperaturen in der oxydierenden Atmosphäre einsetzende Erosion stark beeinträchtigt wird.

Als Grundwerkstoffe werden dabei beispielsweise -to Supcrlegierungen folgender Zusammensetzung in Gewichtsprozent verwendet:

Legierung I: 15% Cr. 18.5% Co. 3.3% Ti. 4.3% Al.

5% Mo. 0.07% C. 0.03% B. Rest Ni. ₄,

Legierung II: 9% Cr. 10% Co. 2% Ti, 5% Al.

12.5% W. I % Co. 0.15% C. 0.015% B.

0.05% Cr. Rest Ni. Legierung III: 10% Cr. 15% Co. 4.5% Ti. 5,5% Al.

3% Mo. 0.17% C. 0.75% V. 0.015% B. fο

0.075% Zr. Rest Ni. Legierung IV: 8% Cr. 10% Co. 1% Ti. 6% Al. 6% Mo.

4.3% Ta. 0.11 % C. 0.15% B. 0.07'% Zr.

Rest Ni.

Als Übcrzugsmatcrial verwendet man bevorzugt Aluminium, das durch Aluminidbildung an der Oberfläche haftet. Die Schutzwirkung gegen die Erosion entsteht durch die intermetallischen Aluminiumverbindungen, die ihrerseits durch eine dünne Alumi- λ η niumoxydschicht geschützt sind, welche sich durch Oxydation des Überzugsmaterials bei hoher Temperatur bildet. Diese Oxydschicht geht jedoch durch erosive Abspaltungsprozesse verloren. Dabei findet eine Reoxydation statt, wodurch die Schutzwirkung wie- r.< der hergestellt wird, jedoch nur solange, wie genügend Aluminium in dem Über,;ugsmaterial vorhanden ist. Ist dieses Aluminium beispielsweise lokal aufgebraucht, so wird die Oberfläche der Superlegierung direkt angegriffen, was meistens durch Bildung blaugriiner Oxyd·· erkennbar ist.

Zum Aufbringen derartiger schützender Alumi niumiiberzüge sind zwei Verfahren bekannt, wohei nach dem ersten Verfahren die Werkstückoberfläche mit einer Aufschlämmung von Aluminium in einem flüssigen Träger beschichtet wird, der dann getrocknet und anschließend geglüht wird. Das zweite Verfahren ist ein Alitierungs- bzw. Oberflächenschutzver fahren, bei welchem das Werkstück in eine trockene Pulvermischling eingebettet wird, die aus Aluminium. Tonerde als inertem Füllstoff und Ammoniumchlorid als Aktivierungsmittel besteht. Die Mischung und das Werkstück werden bei einer bestimmten Temperatur eine bestimmte Einsatzzeit erhitzt, wobei man zur Fr reichung des thermischen Gleichgewichtes lange Ein satzzeiten und hohe Temperaturen verwendete, da man große Mengen von Alitierungspulvergemisch ver wendete. Zur Erzielung eines in etwa gleichmäßigen Überzugs war es erforderlich, u,n das Werkstück ein homogenes Temperaturfeld aufrechtzuerhalten, außer dem verwendete man Gemische mit kleiner Reaktions geschwindigkeit, d.h. die Gemische hatten eine nied rige Aluminiumaktivität.

So ist bereits ein Alitierungsbett mit 2 bis 10 Ge wichtsprozent Aluminium bekannt, in welchem Werkstücke 4 bis 5 Stunden lang bei 1100°C behan delt werden. Bevorzugt ist dabei ein Aluminiumgrießgehalt von 5 Gewichtsprozent in dem Bett. Bei dieser Behandlung wird während der Einbettung des Werk Stückes in dem Alitierungsbett auf der Oberfläche bzw. durch Diffusion in der Oberfläche ein Überzug aus Aluminid mit Aluminiumoxydeinschlüssen ausge bildet (Deutsche Auslegeschrift 1,246,352).

Wenn nun an Werkstücken von Gasturbinen loka Ie. bis zur Grundlegierung durchgreifende Erosionen bei den zeitlich genau fixierten Inspektionen festge stellt werden, so möchte man nicht das ganze Teil, sondern nur den Schutzüberzug erneuern, da die Werkstücke aus hochwertigen Legierungen in meist sehr komplizierten Arbeitsverfahren hergestellt sind, wie dies insbesondere für luftgekühlte Turbinenteile zutrifft, die teilweise sehr dünnwandig sind.

Würde man Werkstücke mit solchen Erosionsstcl len wieder gemäß dem Alitierungsverfahren behandeln, so würde man einen ungleichmäßigen Überzug erhalten, da der sich beim Alitieren bildende Überzug eine in etwa gleiche Stärke hat. so daß die Gesamt stärke des Überzugs an den auszubessernden Stellen geringer ist als an den Stellen, die während des voran gehenden Betriebs nicht angegriffen wurden.

Man war deshalb gezwungen, vor Aufbringen eines neuen Schulzüberzuges den alten Schutzüber zug zu entfernen, auch in den Bereichen, die unbe schädigt waren. Bei Herstellung eines Überzugs mit einer Stärke von etwa 75μ wird jedoch die Oberfläche der Örundlegierung bis in eine Tiefe von etwa 50/< in die Umsetzung mit einbezogen. Das bedeutet, daß bei Entfernung des alten Überzugs auch die Grundlegierung bis in diese Tiefe abgetragen werden muß. Unabhängig von dem beachtliehen mechanischen Arbeitsaufwand ist eine derartige Materialabnahme dann nicht durchführbar, wenn die Wandstärken der Werkstücke zwischen 380 und 510// liegen.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht deshalb darin, ein Alitierungsverfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, mit dem sich üHer