DE1952370C - Ahtierungsverfahren - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Alitierungsverfahren für die Überholung und die Reparatur von Superlegierungswerkstücken, die einer starken Erosion in oxy- ²' dierender Umgebung bei hohen Temperaturen ausgesetzt sind, wobei die Werkstücke in ein Alitierpulvergemisch mit einem Aluminiumgehalt von 5 bis 20 Ge wichtsprozent eingebettet werden.

Bekanntlich werden bei modernen Gasturbinen die bezüglich ihrer Festigkeit hochbeanspruchten Werkstücke, beisoielsweise die Schaufeln, mit einem Schutzüberzug versehen, wobei das Grundmaterial des Werkstückes zur Aufrechterhaltung der Festigkeit dient ui d der Überzug zu einer Verlängerung der Lebensdauer der Werkstücke führen soll, die durch die bei den hohen Temperaturen in der oxydierenden Atmosphäre einsetzende E »ion stark beeinträchtigt wird.

Als Grundwerkstoffe werden dabei beispielsweise -w Superlegierungen folgender Zusammensetzung in Ge- · wiciitsprozent 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.

ί 2,5% W 1 % 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.

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.

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Als Überzugsmaterial verwendet man bevorzugt Aluminium, das durch Aliiminidbildung an der Oberfläche haftet. Die Schutzwirkung gegen die Ero sion entsteht durch die intermetallischen Aluminiumverbindungen, die ihrerseits durch eine dünne Alumi- μί niumoxydschicht^ geschützt sind, welche sich durch Oxydation des Überzugsmatcrials bei hoher Temperatur bildet. Diese Oxydschicht geht jedoch durch erosive Abspaltungsprozcsse verloren. Dabei findet eine Reoxydation statt, wodurch die Schutzwirkung wie- μ der hergestellt wird, jedoch nur solange, wie genügend Aluminium in dem Übcrzugsmatcrial vorhanden ist. IHt dieses Aluminium beispielsweise lokal aufgebraucht, so wird die Oberfläche der Superlegieruni; direkt angegriffen, svas meistens durch Bildung blaugrüner Oxyde erkennbar ist.

Zum Aufbringen derartiger schützender Aiuminiumüberzüge sind zwei Verfahren bekannt, wobei nach dem ersten Verfahren die Werkstückoberfiüehe 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. Oberflächenschuuverfahien. bei welchem das Werkstück in eine trockene Pulvermischung eingebettet wird, die aus Aluminium. Tonerde als inertem Füllstoff und Ammoniumchlorid als Aktivierungsmittel besteht. Die Mischung und das Werkstück werden bei einer bestimmten Temoeriuur eine bestimmte Einsatzzeit erhitzt, wobei man zur Erreu'iiinc des thermischen Gleichgewichtes lange Fin sat7/eiten und hohe Temperaturen verwendete. Ja man große Mengen von Alitierungspulvergemisch umwendete. Zur Erzielung eines in etwa gleichmäßi^n Überzugs war es erforderlich, um das Werkstück ,m homogenes Temperaturfeld aufrechtzuerhalten, au Ixt dem \erwendete man Gemische mit kleiner Reaktion, geschwindigkeit, d.h. die Gemische hatten eine nied rige Aluminiumaktivität.

So ist bereits ein Alitierungsbett mit 2 bis 10 Gewichtsprozent Aluminium bekannt, in welchem Werkstücke 4 bis 5 Stunden lang bei 1100° C behan delt werden. Bevorzugt ist dabei ein Aluminiumgricl.'. gehalt 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 festgestellt 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 Erosionsstellen 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 Gesamtstärke des Überzugs an den auszubessernden Stellen geringer ist als an den Stellen, die während des vorangehenden Betriebs nicht angegriffen wurden.

Man war deshalb gezwungen, vor Aufbringen eines neuen Schutzüberzuges den alten Schutzüberzug zu entfernen, auch in den Bereichen, die unbeschädigt waren. Bei Herstellung eines Überzugs mit einer Stärke von etwa 75// "Λΐιύ jedoch die Oberfläche der Grundlegierunt* bis in eine Tiefe von etwa 50// in die Umsetzung mit einbc/.ogen. Das bedeutet, daß bei Entfernung des alten Überzugs auch die Grundlegierung bis in diese Tiefe abgetragen werden muß. Unabhängig von dem beachtlichen mechanischen Arbeitsaufwand ist eine derartige Materialabnahme dann nicht durchführbar, wenn die Wandstär ken der Werkstücke zwischen 380 und 510// liegen.

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

der ganzen Werkstückoberfläche wieder ein Überzug mit gleicher Stärke herstellen läßt, d.h. mit dem der Überzug selektiv auf die erodierten 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 Alitierpul-.ergemisch eingebetteten beschädigten Werkstücke eine bis vier^ Stunden lang auf eine Temperatur von 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 Werkstoffes. Anhand weniger Versuche kann jedoch die erforderlicl.s hohe Aluminiumaktivität sowie Behandlungstemperatur

bis 871 C erhitzt und dann einer Diffusionswär- in und -dauer innerhalb der angegebenen Bereiche aus- ;r,ebehandlung zwischen 1038 und 1204° C unterwor- gewählt werden, wobei bekannt ist, daß die Abhängigkeit zwischen der Behandlungszeit und der Überzugsdicke eine Parabelfunktion ist.

Anhand der nachstehenden Versuche wird die Er-

fon werden.

Versuche haben gezeigt, daß in einem Alitierungsbett. dessen Aluminiumaktivität zu einem Überzug

i-:is Monoaluminid als Gleichgewichtsphase oder zu π findung näher erläutert.

anderen Phasen mit niedrigem Aluminiumgehalt In einem ersten Versuch wird ein Stab aus der

i'iii-irt. sich der Überzug dadurch bildet, riaß Nickel

zug dadurch bildet, daß Nickel

..j; der Grundlegierung herausdiffundiert und sich ü.T Überzug auf v'er Grundlegierung bildet, d.h. das ■\;uminium bleibt dabei in dem Überzug. Wenn ande •-■rscits die Alumiiciumaktivität zur Bildung eines !.herzugs aus Ni,Al₃ als Gleichgewichtsphase oder h-. Phasen mit höherem Aluminiumgehalt führt, dif- !'inüiert Aluminium in di._; Grundlegierung hinein.

Grundlegierung, deren Zusammensetzung vorstehend unter IV aufgeführt ist. durch Aufschlämmung mit einer Schicht von 76// überzogen und 100 Stunden lang in einer oxydierend und erodierend wirkenden 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.

h. das Nickel zur Bildung des Aluminids bleibt in- 25 wird der Versuch abgebrochen. Der Stab wird in der

.-.-,-halb der Grundlegiening_._ Ein hauptsächlich die N',Al, Phase enthaltender Überzug ist jedoch sehr ;pröd. Eine anschließende Wärmebehandlung führt tr Bildung der duktileren NiAl Phase. Da nach Entjrnung des Werkt.ackes aus dem AlitierungsbeU die hohe Aluminiumaktivitäi nicht rr_: hr vorhanden ist. ilndet nun eine Diffusion des Nickels in die Grundle gierung sowie eine Diffusion des Al· niniums aus der Ni-Alj-Phase unter Bildung einer NiAl-Schicht in das Grundmaterial statt.

Bei einem zu reparierenden Werkstück haben die nicht beschädigten Zonen noch einen sehr hohen Aluminiumgehalt, beispielsweise 30%, während der Aluminiumgehalt der beschädigten bzw erodierten erodierten Zone durchgeschnitten. Das eine Teilstück wird metallographisch untersucht, während das an dere Teil in einem Alitierungsbett mit hoher Aluminium- -■ktivität IV₂ Stunden lang bei 760°C erneut über zogen und anschließend vier Stunden lang einer Wärmebehandlung bei 1093°C unterworfen wird.

zeigt eine Durchdringung des Überzugs im Bereich der erod'erten Zone und Bildung des charakteristischen 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 Bereich der Überzugsschicht, in welchem Phasen aus

Zonen sehr niedrig ist, beispielsweise bei 5% liegt. In 40 Nickelfeststofflösung bzw. aus Ni_;Al vorliegen, ist dem Alitierungsbett. in dem nun eine NiAl-Phase mit eine dünne Schicht von Carbiden voihanden. einem Aluminiumgehalt zwischen 30 und 40% gebil- Bei dem erfindungsgemäß behandelten Teilstück ist

dct wird, deren Duktilität bei Temperaturen unter der angegriffene Bereich sowie der Bereich mit der 816° C niedrig ist und die deshalb zur RiPbildung Carbidschicht gleichmäßig überzogen, wobei lediglich neigt, deren Oxydaticnswiderstand jedoch groß ist. 45 eine geringfügige Vertiefung in der Überzugsoberwerden in den unbeschädigten Bereichen 10% Alumi- fläche dei erodierten Zone erkennbar ist. Die Bereiche des Teilstücks, die sich in Bereichen geringerer Vemperatur befanden, /eigen vor dem erneuten Überziehen mit dem erfindungsgemäßen Verfahren eine

nium, in den angegriffenen Bereichen jedoch 35 % Aluminium absorbiert. Bei der sich anschließenden Wärmebehandlung zur Bildung der duktilen Phasr mit niedrigerem Aluminiumgehalt tritt bei den ur sprünglich nicht angegriffenen Zopen gar kein oder nur ein minimales Wachstum des Überzuges auf, da in diesen Bereichen während der Behandlungsstufe im Alitierung^ett nur sehr wenig Aluminium absorbiert Aluminiumverarmung, wobei an den Korngrenzen des Aluminids die Ni₃Al-Phase vorhanden ist. Nach der Behandlung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hat mau das duktile Aluminid mit einer etwas anderen Carbidmorphologie als bei dem ursprünglichen

wurde. In den ursprünglich angegriffenen Bereichen, 55 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. Ucr neue Überzug hat die erforderliche Dicke im Bereich der erodierten Zone erreicht, wähchen Legierung mit dem gleichen Überzug in c!->e oxydierend und erodierend wirkende Atmosphäre von 1149° C eingebracht. Bereits nach 50 Stunden stellen

rend die Zunahme der Stärke in den ursprünglich mi sich lokale Überzugsschäden 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 Erreichen von 100 Stunden stellt man Behandlung an allen Stellen der Oberfläche wieder na- eine übermäßige Beschädigung der Grundlegierung in hezu gleich. dem Bereich fest, wo der Stab hohen Temperaturen

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

denim 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 1149° C in einer oxydierend und erodierend wirkenden Atmosphäre 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 Mlμ. was auf die in der zweiten Versuchsstufe erfolgte Grundmaterialoxydierung zurückzuführen ist. Die Lebensdauer der Grundlegierung auf Nikkeibasis des AVerkstückes 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 Überzugs

s stärke 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

in mit höheren Temperaturen arbeiten kann. Die dadurch erreichten Vorteile wiegen jedoch die öfteren Überholungen auf.

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Alitierungsverfahren für die Überholung und die Reparatur von Superlegierungswerkstücken, die einer starken Erosion in oxydierender Umgebung ί 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 aktivierten Alitierpulvergemisch eingebetteten beschädigten Werkstücke eine bis vier Stunden lang auf eine Temperatur von 649 bis 871° C erhitzt und dann einer Diffusionswärmebehandlung zwischen 1038 und 1204° C unterworfen werden. π