DE19706447B4

DE19706447B4 - Legierungsgegenstand für hohe Temperatur mit einem diskreten Zusatz-Schutzüberzug

Info

Publication number: DE19706447B4
Application number: DE19706447A
Authority: DE
Inventors: Warren Davis Grossklaus jun.; Richard Roy Worthing jun.
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1996-02-26
Filing date: 1997-02-19
Publication date: 2013-03-21
Anticipated expiration: 2017-02-20
Also published as: GB9703936D0; DE19706447A1; GB2310435B; JP3973171B2; JPH108236A; FR2748494B1; FR2748494A1; GB2310435A; US5897966A

Abstract

Gegenstand mit einer Oberfläche aus einer Superlegierung auf Nickelbasis und mindestens einem mit der Oberfläche diffundierten, gesonderten Oberflächenbereich, wobei der gesonderte Oberflächenbereich einen gegenüber der Umgebung beständigen gesonderten Überzug einschließt, der aufweist: einen äußeren Abschnitt, der ein Aluminid mindestens eines Elementes, das aus der Oberfläche diffundiert ist, und mindestens 17 Gew.-% Platin, das darin hinein diffundiert ist, enthält, wobei der äußere Abschnitt des Überzuges ein zweiphasiger äußererer Abschnitt ist, der enthält: a) eine erste Phase aus Platinaluminid, wobei in der ersten Phase der Gehalt von Platin mindestens 40 Gew.-% beträgt, durchsetzt mit b) einer zweiten Phase aus Nickelaluminid, in der der Aluminiumgehalt mindestens 20 Gew.-% beträgt; und einen inneren Abschnitt, der eine Diffusionszone zwischen dem äußeren Abschnitt und der Oberfläche ist und ausschließlich Platin zusammen mit einem Aluminid des mindestens einen aus der Oberfläche diffundierten Elementes enthält; wobei der Überzug eine mittlere Gesamtdicke im...

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Diese Erfindung bezieht sich auf Gegenstände aus Superlegierung auf Ni-Basis für hohe Temperatur, die zum Schutz gegen die Umgebung überzogen sind, und mehr im besonderen auf solche Gegenstände, die auf mindestens einer gesonderten, ausgewählten Gegenstandsoberfläche einen gegenüber der Umwelt schützenden Additiv-Überzug aufweisen.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Während des Betriebes von Gegenständen bei hoher Temperatur, wie Komponenten von Gasturbinen, sind die freien Oberflächen des Gegenstandes stark korrodierenden und oxidierenden Bedingungen ausgesetzt. Die Entwicklung der Gasturbinen hat daher die Entwicklung einer Vielfalt von Überzügen eingeschlossen, die gegenüber solchen nachteiligen Bedingungen beständig sind. Solche bekannten Überzuge schließen kommerziell erhältliche Formen des durch gemeinsame Abscheidung (Codep) erhältlichen Aluminierungs-Überzuges ein, von dem Beispiele in solchen US-Patentschriften, wie US 3,598,638 A – Levine (herausgegeben am 10. August 1971) und US 3,667,985 A – Levine et al. (herausgegeben am 6. Juni 1972) beschrieben sind. Verbunden mit dem allgemeinen Aluminieren ist ein lokalisiertes Aluminieren durch einen fleckenartigen Überzug, wie in der US-PS 4,004,047 A – Grisik (herausgegeben am 18. Januar 1977) beschrieben.
Andere Formen von Hochtemperatur-Überzügen, die zum Schutz gegenüber der Umwelt benutzt werden, schließen Kombinationen von Metallen ein, ausgewählt aus der Platingruppe von Metallen, insbesondere Pt, Rh und Pd, zusammen mit dem Aluminieren bzw. Alitieren. Formen dieser Kombination von Überzügen sind in den US-Patentschriften US 3,819,338 A – Bungardt et al. (herausgegeben am 25. Juni 1974) und US 3,979,273 A – Panzera et al. (herausgegeben am 7. September 1976) beschrieben.
Die Offenbarungen der oben angegebenen Patentschriften werden hiermit durch Bezugnahme aufgenommen.
Überzüge anderer Arten, einschließlich einem gesamten Platinaluminid-Überzug, wurden berichtet und als Schutzüberzüge für bei hoher Temperatur betriebene Komponenten von Gasturbinen, wie einer Hochdruck-Turbinenschaufel (HPTB), benutzt. Es wurden jedoch während der Herstellung und/oder des Einsatzes solcher Gegenstände gewisse Probleme festgestellt. So sind, z. B., im allgemeinen während der Betriebslebensdauer einer typischen HPTB verschiedene Teil- und mindestens eine vollständige Reparatur erforderlich, um die brauchbare Lebensdauer einer solchen Komponente zu verlängern, die ursprünglich recht teuer in der Herstellung ist. Solche späteren Reparaturen können durch das Aufbringen von gegenüber der Umwelt schützenden Überzügen bei der ursprünglichen Herstellung des Gegenstandes kompliziert werden, wobei diese Überzüge allgemein als thermische Sperrüberzüge bezeichnet werden und auf der Grundlage von Keramik-Materialien, wie Zirkoniumoxid, das allgemein mit solchen Materialien, wie Yttriumoxid, stabilisiert ist, beruhen. Als Keramikgrundlage hat ein solcher Überzug eine größere Neigung als ein Überzug auf Metallgrundlage, spröde zu sein und sich abzuspalten, wenn er später bearbeitet wird, wie bei einer Reparatur nach dem ursprünglichen Überziehen. Eine Reparatur gesonderter Oberflächen eines mit einer Wärmesperre überzogenen Gegenstandes ist daher schwieriger. In allen Fällen ist ein zuverlässiger, fleckartiger oder gesonderter Oberflächen-Überzug für die Reparatur oder zur Förderung der Umwelt-Beständigkeit lokalisierter gesonderter ausgewählter Oberflächen eines bei hoher Temperatur betriebenen Gegenstandes erforderlich, auf den ein gegenüber der Umwelt schützender Oberflächen-Überzug aufgebracht worden ist.
DE 26 01 129 C2 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von Formkörpern aus wärmefesten Legierungen auf Nickelbasis mit mehrschichtigen Schutzüberzügen. Es werden zwei Schichten durch Diffusion von Rhodium in eine innere Zone und Platin in eine äußere Zone des Formkörpers erzeugt. Anschließend wird eine Pack-Aluminisierung durchgeführt. Die dadurch erreichte Wärme- und Korrosionsbeständigkeit wird in diesem Dokument darauf zurückgeführt, dass Nickel schneller durch Rhodium als durch Platin diffundiert. Umgekehrt diffundiert Aluminium schneller durch Platin als durch Rhodium.
Aus DE 22 31 313 C2 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Schutzüberzugs aus Rhodium, Aluminium und einer Nickellegierung durch Diffusion bekannt. Durch das Eindiffundieren von Rhodium in das Basismaterial wird eine Grenzschicht geschaffen, die das Eindingen von Aluminium nach innen verhindert. Es entsteht ein Überzug aus Rhodium, Aluminium und Nickel.
Ein ähnliches Verfahren zeigt auch DE 33 29 908 C2 . Dort wird ein auf einer Nickel-Oberfläche eine Schicht aus einem Metall der Platingruppe abgeschieden und anschließend ein Diffusions-Schutzüberzug aus Platin und Aluminium ausgebildet.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung schafft einen Gegenstand mit einem Substrat, z. B. aus einer Hochtemperatur-Legierung, wie ein Substrat aus einer Superlegierung auf Nickelbasis oder ein Substrat aus einem vorher aufgebrachten Umgebungs-Überzug und mindestens einen mit dem Substrat diffundierten, gesonderten Oberflächenabschnitt, der einen gegenüber der Umgebung beständigen Additiv-Überzug auf dem gesonderten Oberflächenabschnitt einschließt. Der Überzug umfasst einen äußeren Abschnitt aus Nickelalumid mit mindestens darin diffundiertem Pt in einer Form als eine separate Phase. Eine Form aus einem äußeren Zweiphasen-Abschnitt schließt eine erste Phase aus einem Platinaluminid mit einem Gehalt von mindestens etwa 40 Gew.-% Pt, durchsetzt mit einer zweiten Phase aus Nickelaluminid ein, und der Al-Gehalt des äußeren Abschnittes beträgt mindestens etwa 20 Gew.-%. Der Überzug schließt auch einen inneren Abschnitt ein, der eine Diffusionszone zwischen dem äußeren Abschnitt und dem Substrat ist, wobei der innere Abschnitt diffundiertes Pt, zusammen mit Aluminid mindestens eines Elements umfasst, das vom äußeren Abschnitt des Substrates diffundiert ist. Der Überzug weist eine mittlere Gesamtdicke im Bereich von etwa 0,025 bis 0,125 mm (entsprechend 0,001–0,005'') auf.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Zwei allgemeine Fälle, bei denen ein gesonderter, zusätzlicher Oberflächen-Additivüberzug mit Beständigkeit gegenüber der Umgebung bei hoher Temperatur erwünscht ist, sind während der Teil- oder ”Mini”-Reparatur von Abschnitten eines Gegenstandes sowie zur Förderung des Schutzes einer oder mehrerer ausgewählter Gegenstands-Oberflächen, die während der Herstellung oder Reparatur besonders belastenden Hochtemperatur-Betriebsbedingungen ausgesetzt sind. Beispiele solcher ausgewählten Gegenstands-Oberflächen können Oberflächen einschließen, bei denen eine starke Erosion, Oxidation, Korrosion oder ein potentielles Abreiben vorkommen, wie bei Turbinenschaufel-Spitzen, Vorder- oder rückwärtigen Kanten oder PlattformOberflächen.
Turbinenschaufeln moderner Gasturbinen schließen häufig einen Platinaluminid-Überzug auf der Oberfläche ein, die der Betriebsumgebung ausgesetzt ist. Den gesamten Überzug zu ersetzen, wenn nur ein oder mehrere gesonderte Oberflächenbereiche eine Reparatur erfordern, ist sowohl hinsichtlich des Materials als auch der Arbeit teuer. Die vorliegende Erfindung schafft einen kostenwirksamen, gesonderten, schützenden Zusatz-Überzug für ausgewählte, gesonderte Oberflächen eines Gegenstandes.
Der Additiv-Überzug der vorliegenden Erfindung schließt innere und äußere Abschnitte mit einem Elementengehalt ein, der ausgeglichen ist, um den erwünschten Umgebungsschutz für beanspruchende Betriebsbedingungen zu ergeben, die im Turbinenabschnitt einer Gasturbine auftreten, als eine fleckenförmige oder gesonderte Flächenreparatur einer Dicke, die aerodynamischen Oberflächen-Anforderungen genügt und dem Abspalten widersteht, wie von thermischen Sperrüberzügen benachbart dem komplexen Additiv-Überzug. Während der Bewertung der vorliegenden Erfindung wurde erkannt, dass ein solcher erwünscht Überzug geschaffen werden könnte durch einen sorgfältigen Ausgleich der Menge des Elementgehaltes und die Verteilung und Dicke jeder aufgebrachten Schicht oder jedes aufgebrachten Abschnittes, in Kombination mit einer Wärmebehandlung, die die Struktur des Schutzüberzuges entwickelt.
In einer Form des Gegenstandes der vorliegenden Erfindung schließt der gesonderte Additiv-Überzug einen äußeren Abschnitt ein, umfassend Nickelaluminid, in das Pt diffundiert ist, und wobei das ausgewählte Element mindestens etwa 17 Gew.-% ausmacht. Der äußere Abschnitt, wie aufgebracht, umfasst zwei durchsetzte Phasen: eine erste Phase aus einem Platinaluminid, in der der Platin-Gehalt mindestens etwa 40 Gew.-% beträgt, um einen angemessenen Schutz zu schaffen, wenn es zusammen mit anderen Bestandteilen des Überzuges diffundiert wird, und eine zweite Phase aus Nickelaluminid. Der Al-Gehalt beträgt mindestens etwa 20 Gew.-% aus dem gleichen Grunde. Kombiniert mit der Form des äußeren Abschnittes ist ein innerer Abschnitt, der ebenfalls während der nachfolgenden Wärmebehandlung entwickelt wird, der eine Diffusionszone zwischen dem äußeren Abschnitt und dem Substrat ist, und diffundiertes Pt zusammen mit einem Aluminid mindestens eines aus dem Substrat diffundierten Elements umfasst.
Bei einem nicht-erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung des Gegenstandes wird nach dem Auswählen einer oder mehrerer gesonderter Oberflächenbereiche, auf die der Additiv-Überzug aufgebracht werden soll, und nach dem Reinigen und Maskieren benachbarter Bereiche mit einem nicht reaktionsfähigen Maskierungsmaterial ein erster Überzugs-Abschnitt aus einem Element, ausgewählt aus der Platingruppe, wie Pt, Rh und Pd, aufgebracht. In diesem Beispiel war der zu überziehende Gegenstand eine Turbinenschaufel einer Gasturbine, die aus einer kommerziell erhältlichen Superlegierung auf Nickelbasis hergestellt war, die manchmal als Ren 80-Legierung bezeichnet wird, von der eine Form in der US 3,615,376 A –Ross, herausgegeben am 26. Oktober 1971, beschrieben ist. Ein ausgewählter Oberflächenbereich der Schaufel wurde durch Entfernen des vorhandenen Überzuges in diesem Bereich durch Sandstrahlen gereinigt, um die Superlegierung auf Nickelbasis, als das Substrat, freizulegen. Benachbarte Bereiche wurden mit Plattierungsband maskiert. Beispielsgemäß wurde das Element Pt benutzt und durch standardgemässes, kommerzielles Elektroplattieren abgeschieden. Es ist jedoch eine Vielfalt von Verfahren zum Aufbringen von Pt bekannt, und diese schließen, zusätzlich zum Elektroplattieren, das Bürsten- oder Punkt-Plattieren, die elektrischen Funken-Abscheidung, das Ionen-Plattieren, Zerstäuben, usw. ein. Formeln der Pt-Abscheidung sind in den obigen Patentschriften von Bungardt et al. und Panzera et al. beschrieben. Bei dem vorliegenden Verfahren wurde jedoch erkannt, dass zur Schaffung eines gesonderten, Punkt- bzw. fleck-artigen Überzuges mit einer angemessenen Umgebungs-Beständigkeit das Pt in einer mittleren Dicke im Bereich von mindestens etwa 0,0050 mm (entsprechend etwa 0,0002'') für einen angemessenen Schutz, aber weniger als etwa 0,0150 mm (entsprechend etwa 0,0006'') aufgebracht werden muss, weil darüber der resultierende Überzug aus Platinaluminid spröde wird. Um einen gleichmäßigen Oberflächenschutz zu geben, muss die mittlere Pt-Verteilung mindestens etwa 0,07 g/6,25 cm² (Zoll²) betragen.
In dem beispielsgemäßen Verfahren wurde der erste Abschnitt nach der Pt-Abscheidung, umfassend das Pt in diesem Beispiel, in einer nicht oxidierenden Atmosphäre, einschließlich Vakuum oder Inertgasen, auf eine Temperatur im Bereich von etwa 980 bis etwa 1.120 C (etwa 1.800–2.050 F) für etwa 1/2 bis 4 Stunden erhitzt, um das Pt in den gesonderten Oberflächenbereich zu diffundieren. In diesem Beispiel war die Pt-Dicke, wie abgeschieden, etwa 0,0050 bis 0,0100 mm (entsprechend 0,0002–0,0004''), und das Erhitzen wurde in einem Vakuum bei einer Temperatur im Bereich von etwa80 bis 1.065 C (entsprechend 1.800–1.950 F) für 1/2 bis 2 Stunden ausgeführt, um das Pt in das Substrat zu diffundieren.
Der so mit Pt überzogene, ausgewählte, gesonderte Oberflächenabschnitt wurde mit einem standardgemäßen, kommerziellen Aluminierungs-Verfahren, wie dem Pack-Zementations-Verfahren, das in der obigen US-PS 3,667,985 A – Levin et al. beschrieben ist, nach dem Verfahren aluminiert, bei dem nur der Dampf mit der Oberfläche in Kontakt steht, wie bei der obigen US-PS 3,598,638 A – Levin oder nach einem Verfahren, bei dem eine Aufschlämmung eines Alitierungs-Pulvers mit der Oberfläche in Kontakt steht. Gemäß dem vorliegenden Verfahren muss das Aluminieren jedoch so ausgeführt werden, dass mindestens etwa 17 Gew.-% Pt im äußeren Abschnitt vorhanden sind, und mindestens 40 Gew.-% bei der Form des äußeren Zweiphasen-Abschnittes, um einen angemessenen Schutz bei dem Punkt-Überzug zu bieten und eine mittlere Gesamt-Überzugsdicke von etwa 0,025–0,125 mm (entsprechend 0,001–0,005'') zu schaffen, um das Reißen oder Abspalten des aufgebrachten, gesonderten Überzuges zu vermeiden.
In diesem Beispiel wurde das Aluminieren während des Erhitzens in einer nicht oxidierenden Atmosphäre bei einer Temperatur im Bereich von etwa 1.010–1.020 C (entsprechend etwa 1.850–2.050 F) für 1 bis 4 Stunden ausgeführt, um die Abschnitte zu diffundieren und die Struktur des Überzuges der vorliegenden Erfindung zu schaffen. Einige Formen des kommerziellen Aluminierens können jedoch bei tieferen Temperaturen ohne eine solche Wärmebehandlung ausgeführt werden. Wurde das Aluminieren nach dem Pack-Verfahren ausgeführt, bei dem der Gegenstand in eine aluminierende Pulverpackung eingebracht ist, dann ergab sich aus diesem Verfahren im allgemeinen die oben beschriebene, äußere Zweiphasen-Struktur. Beim äußeren Abschnitt wurde festgestellt, dass der Pt-Gehalt im Platinaluminid der ersten Phase der äußeren Schicht mindestens etwa 40 Gew.-% betragen muss. Wird jedoch der oben beschriebene, äußere Abschnitt aus einer einzigen Phase hergestellt, wie dann, wenn nur aluminierende Dämpfe mit dem Substrat in Kontakt gelangen, dann kann das Pt im Bereich von etwa 17–25 Gew.-% dem fertigen Überzug die angemessene Beständigkeit gegenüber der Umgebung verschaffen. Der Al-Gehalt sollte aus dem gleichen Grunde mindestens etwa 20 Gew.-% betragen.
Bei der Ausführung des oben beschriebenen Verfahrens wurde ein gegenüber der Umgebung beständiger Additiv-Überzug auf einem ausgewählten, gesonderten Oberflächenabschnitt eines Gegenstandes erhalten. Bei den obigen Beispielen des vorliegenden Verfahrens wies der Überzug einen äußeren Abschnitt und einen inneren Abschnitt, wie oben beschrieben, auf. Bei einer Ausführungsform schloss der äußere Abschnitt zwei Phasen ein: eine erste Phase aus Platinaluminid, die in einem Schliffbild als eine relativ helle Phase in Erscheinung tritt, mit einem Pt-Gehalt von mindestens etwa 40 Gew.-%, dispergiert in einer zweiten Phase aus Nickelaluminid, die in einem Schliffbild als eine relativ dunkle Phase in Erscheinung tritt, vorzugsweise im etwa gleichen Volumen mit der ersten Phase und mit einem Al-Gehalt von mindestens etwa 20 Gew.-%. Der innere Abschnitt war eine Diffusionszone zwischen dem Substrat aus Superlegierung auf Nickelbasis, und er wies diffundiertes Platin, Nickelaluminid und Elemente auf, die aus dem Substrat diffundiert waren. Die mittlere Gesamt-Überzugsdicke lag im Bereich von etwa 0,025–0,125 mm (entsprechend etwa 0,001–0,005''). In einer anderen Form hatte der äußere Abschnitt eine einphasige Struktur, umfassend Nickelaluminid, in das mindestens etwa 17 Gew.-% Platin diffundiert waren.

Claims

Gegenstand mit einer Oberfläche aus einer Superlegierung auf Nickelbasis und mindestens einem mit der Oberfläche diffundierten, gesonderten Oberflächenbereich, wobei der gesonderte Oberflächenbereich einen gegenüber der Umgebung beständigen gesonderten Überzug einschließt, der aufweist: einen äußeren Abschnitt, der ein Aluminid mindestens eines Elementes, das aus der Oberfläche diffundiert ist, und mindestens 17 Gew.-% Platin, das darin hinein diffundiert ist, enthält, wobei der äußere Abschnitt des Überzuges ein zweiphasiger äußererer Abschnitt ist, der enthält: a) eine erste Phase aus Platinaluminid, wobei in der ersten Phase der Gehalt von Platin mindestens 40 Gew.-% beträgt, durchsetzt mit b) einer zweiten Phase aus Nickelaluminid, in der der Aluminiumgehalt mindestens 20 Gew.-% beträgt; und einen inneren Abschnitt, der eine Diffusionszone zwischen dem äußeren Abschnitt und der Oberfläche ist und ausschließlich Platin zusammen mit einem Aluminid des mindestens einen aus der Oberfläche diffundierten Elementes enthält; wobei der Überzug eine mittlere Gesamtdicke im Bereich von 0,025 bis 0,125 mm (entsprechend 0,001–0,005'') aufweist.