DE19946650C2

DE19946650C2 - Process for the production of armor for a metallic component

Info

Publication number: DE19946650C2
Application number: DE19946650A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Wydra; Thomas Cosack
Original assignee: MTU Aero Engines GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 1999-09-29
Filing date: 1999-09-29
Publication date: 2003-11-27
Anticipated expiration: 2019-09-30
Also published as: ATE301735T1; EP1088907B1; DE19946650A1; DE50010908D1; EP1088907A1

Abstract

Production of a cladding for a metallic component comprises forming a slip by mixing a binder solution with a starting powder containing Al and/or Cr and an additional powder containing Al, Pt, Pd or Si, where the additional powder comprises no Al when the starting powder contains exclusively Al; applying the slip to the surface to be clad; adding ceramic hard particles to the slip before or after applying the slip; drying the slip layer at a temperature of room temperature to 450 degrees C and heat treating the slip layer at 750-1250 degrees C.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Panzerung für ein metalli sches Bauteil, die auf dessen Oberfläche vorgesehen wird.The invention relates to a method for producing armor for a metalli cal component that is provided on its surface.

Panzerungen bzw. Anstreifbeläge werden z. B. an Triebwerksbauteilen, wie z. B. Dich tungsspitzen von Labyrinthdichtungen oder Schaufelspitzen, vorgesehen, um deren Abarbeitung bei Anstreifvorgängen während des Betriebs entgegenzuwirken. Da der Wirkungsgrad eines Verdichters oder einer Turbine in hohem Maße von der Spalt größe zwischen dem rotierenden und dem stehenden Bauteil abhängt, wird er mit zunehmender Abarbeitung, z. B. der Schaufelspitzen, vermindert.Armorings or abradable coverings are z. B. on engine components, such as. B. You tips of labyrinth seals or blade tips, provided to their To counteract processing during brushing operations during operation. Since the Efficiency of a compressor or turbine to a large extent from the gap depends on the size between the rotating and the stationary component, increasing processing, e.g. B. the blade tips, reduced.

Die Panzerung arbeitet sich beim Betrieb des Triebwerks üblicherweise in einen Ein laufbelag eines gegenüberliegenden, zweiten Bauteils ein. Derartige Einlaufbeläge sind abreibbar und bestehen meist aus einer korrosions- und erosionsfesten Schicht. Eine Panzerung des Triebwerksbauteils ist insbesondere dann erforderlich, wenn die Festigkeit und Härte der Einlaufbeläge zur Steigerung der Erosions- und Temperatur beständigkeit erhöht wird und sich die Abarbeitung der Triebwerksbauteile zusätzlich verstärkt. Durch die Panzerung wird erreicht, daß beim Anstreifvorgang ein minima ler Spalt zwischen der Panzerung und dem Einlaufbelag gebildet wird.The armor usually works into an on during operation of the engine tread of an opposite, second component. Such run-in coverings can be rubbed off and usually consist of a corrosion and erosion-resistant layer. Armoring of the engine component is particularly necessary if the Strength and hardness of the run-in coatings to increase the erosion and temperature resistance is increased and the processing of the engine components additionally strengthened. The armor ensures that a minimal l gap is formed between the armor and the inlet covering.

Bei einem bekannten Verfahren zum Herstellen einer Panzerung wird ein MCrAlY- Pulver durch galvanisches Auftragen auf das zu panzernde Bauteil aufgebracht, wo bei in dem Bad die erforderlichen harten Partikel, wie z. B. BN, enthalten sind. Diese Partikel werden nach dem Auftragen freigeätzt. Ein solches Verfahren ist teuer und aufwendig. Insbesondere das anschließende Ätzen ist aufgrund der mangelnden Umweltverträglichkeit und dem erforderlichen Abdecken des Bauteils nachteilig.In a known method for producing armor, an MCrAlY- Powder applied by galvanic application to the component to be armored, where when in the bath the required hard particles, such as. B. BN are included. This Particles are etched free after application. Such a process is expensive and consuming. In particular, the subsequent etching is due to the lack Environmental compatibility and the necessary covering of the component disadvantageous.

Bei einem anderen bekannten Verfahren wird eine an die Bauteilkontur angepaßte Lotfolie durch Kleben od dgl. an dem Bauteil befestigt. Danach werden BN-Partikel in die Lotfolie eingesetzt. Anschließend wird die Lotfolie durch Wärmebehandlung ge schmolzen und die BN-Partikel darin eingebettet. Auch dieses Verfahren ist verhält nismäßig teuer und aufwendig. Zudem ist die Verbindung zwischen den Partikeln und dem Bauteil unzureichend.In another known method, one is adapted to the component contour Solder foil or the like. Attached to the component. Then BN particles are in the solder foil inserted. The solder foil is then ge by heat treatment melted and the BN particles embedded in it. This procedure is also behavioral reasonably expensive and complex. In addition, the connection between the particles and the component is insufficient.

Aus der JP 55-82765 A ist es bekannt, das aus einer Ni- oder Co-Basislegierung be stehende Substrat zunächst mit einer Mischung aus Keramik-, Al- und Metallpulver zu beschichten, um die Wärmebeständigkeit der langandauernd hochtemperaturbe lasteten Schicht zu verbessern. Anschließend folgt eine Schicht aus einem mit einem Binder versehenen Ni-Pulver, eine Wärmebehandlung und ein Alitieren durch ein Packverfahren. Dabei soll die erste Schicht aus der Keramik enthaltenden Mischung verhindern, daß Al von der Schicht in das Substrat eindringt und die Schicht mithin durch die Verarmung von Al ihre Wärmebeständigkeit einbüßt.From JP 55-82765 A it is known that be made of a Ni or Co base alloy standing substrate first with a mixture of ceramic, aluminum and metal powder to coat the heat resistance of the long-term high temperature burdened shift to improve. This is followed by a layer of one with one Binder-provided Ni powder, a heat treatment and an alitation by a Pack process. The first layer should consist of the ceramic-containing mixture prevent Al from penetrating into the substrate from the layer and consequently the layer due to the depletion of Al its heat resistance is reduced.

Die JP 55-082759 A offenbart ein Verfahren zur Verbesserung der thermischen Be ständigkeit einer Beschichtung, die auf ein Substrat aus einer Ni- oder Co- Basislegierung aufgebracht wird, wobei beim Beschichten ein Metall- oder ein Legie rungspulver mit Keramikelementen gemischt und dann auf das Substrat aufgebracht wird. Es kann ein Bindemittel eingesetzt und eine anschließende Wärmebehandlung durchgeführt werden. Das Verfahren wird bei Bauteilen von z. B. Gasturbinen einge setzt, die der Heißgaskorrosion ausgesetzt sind.JP 55-082759 A discloses a method for improving the thermal loading durability of a coating that is applied to a substrate made of a Ni or Co Base alloy is applied, with the coating a metal or an alloy Powder mixed with ceramic elements and then applied to the substrate becomes. A binder can be used and a subsequent heat treatment be performed. The method is used for components of e.g. B. gas turbines turned on sets that are exposed to hot gas corrosion.

Das Abstract JP 55-82761 betrifft die Herstellung einer Heißgaskorrosionsschutz schicht aus den Elementen Ni, Cr oder Al, und Pt, Pd oder Rh. Die Besonderheit liegt darin, dass die Elemente separat als aufeinanderfolgende Schichten aufgebracht und durch eine Wärmebehandlung legiert bzw. intermetallisch verbunden werden. Nur das Element Nickel wird in Schlickertechnik aufgebracht, die Einbettung keramischer Partikel ist nicht vorgesehen.The abstract JP 55-82761 relates to the manufacture of a hot gas corrosion protection layer from the elements Ni, Cr or Al, and Pt, Pd or Rh. The specialty lies in that the elements are applied separately as successive layers and alloyed or intermetallically bonded by a heat treatment. Just the element nickel is applied using slip technology, the embedding ceramic Particle is not provided.

Die DE 691 09 077 T2 behandelt das Beschichten von Bauteilen, die bereichsweise bereits eine keramische Wärmedämmschicht (TBC, Thermal Barrier Coating) aufwei sen, welche nicht beschädigt werden darf. Die neu zu beschichtenden Bereiche wer den mit Aluminium und Keramikpartikeln, vorzugsweise aus Aluminiumoxid, in Kon takt gebracht und bei hoher Temperatur alitiert, wobei das teilweise in das Bauteil eindiffundierende Aluminium die Keramikteilchen anbindet. Es wird bewusst kein Halogenaktivator verwendet, da dieser das ursprüngliche TBC-Schutzsystem be schädigen könnte. Die neue, vorwiegend keramische Schicht wird in einem Pulver pack- bzw. Einbettungsverfahren aufgebracht und bildet ebenfalls eine thermische Schutzschicht bzw. eine Heißgaskorrosionsschutzschicht.DE 691 09 077 T2 deals with the coating of components in certain areas already has a ceramic thermal barrier coating (TBC, Thermal Barrier Coating) which must not be damaged. The areas to be coated who with aluminum and ceramic particles, preferably made of aluminum oxide, in Kon clocked and alitated at high temperature, which is partly in the component diffusing aluminum binds the ceramic particles. It is deliberately not Halogen activator used because this is the original TBC protection system could damage. The new, mainly ceramic layer is in a powder pack or embedding process applied and also forms a thermal Protective layer or a hot gas corrosion protective layer.

Es handelt sich hier also nicht um eine mechanische Panzerung, ebensowenig gibt es Hinweise auf eine Beschichtung in Schlickertechnik. Bezüglich der Haftschicht des vorhandenen TBC-Systems werden eine MCrAlY-Legierung sowie Pt und Rh als Modi fizierungselemente genannt.So this is not mechanical armor, nor is there any Indications of a coating using slip technology. Regarding the adhesive layer of the existing TBC systems will use a MCrAlY alloy as well as Pt and Rh as modes fication elements called.

Die US 4 937 042 betrifft die pulvermetallurgische Herstellung von hochwarmfesten Gasturbinenbauteilen mit gutmütigem Verschleißverhalten (abradable articles), wie Anstreif- bzw. Einlaufbelägen. Dabei werden zwei Pulver vom MCrAl-Typ gemischt und versintert bzw. verschmolzen. Das eine Pulver mit Y (Yttrium) als Zusatzelement besitzt einen höheren Schmelzpunkt und bleibt beim Erhitzen in einem Festkörperzu stand. Das andere Pulver mit Si (Silizium) als Zusatzelement hat einen niedrigeren Schmelzpunkt, schmilzt beim Erhitzen und fließt zwischen die Partikel des ersten Pulvers nach Art eines Lotes. Das Verfahren hat nichts mit Schlickertechnik zu tun, ebenso fehlen keramische, verschleißfeste Zusätze, da die Teile ja eher leicht abtragbar sein sollen, z. B. um anstreifende Schaufelspitzen zu schonen.The US 4 937 042 relates to the powder metallurgical production of high-temperature Gas turbine components with good-natured wear behavior (abradable articles), such as Brushable or run-in coverings. Two powders of the MCrAl type are mixed and sintered or fused. One powder with Y (yttrium) as an additional element has a higher melting point and remains in a solid when heated was standing. The other powder with Si (silicon) as an additional element has a lower one Melting point, melts when heated and flows between the particles of the first Powder like a solder. The process has nothing to do with slip technology, Ceramic, wear-resistant additives are also missing, since the parts are rather light should be removable, e.g. B. to protect scraping blade tips.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum Herstellen einer Panzerung der eingangs beschriebenen Gattung zu schaffen, das sich ferti gungstechnisch möglichst einfach durchführen läßt und eine hochwertige Panzerung ergibt.The object of the present invention is a method for manufacturing to create an armor of the type described above, which ferti technically easy to carry out and a high-quality armor results.

Die Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die Schritte gekennzeichnet: Herstellen eines Schlickers durch Mischen einer Bindemittellösung mit einem Al und/oder Cr enthaltenden Ausgangspulver und einem wenigstens ein Element aus Al, Pt, Pd oder si umfassenden Zugabepulver, wobei das Zugabepulver bei einem ausschließlich Al enthaltenden Ausgangspulver kein Al umfaßt; Auftragen des Schli ckers auf die zu panzernde Oberfläche; Zugabe keramischer Hartpartikel zum Schli cker vor oder nach dem Auftragen des Schlickers, deren Größe so gewählt wird, daß sie nach dem Wärmebehandeln über die Schicht vorstehen; Trocknen der Schlicker schicht bei einer Temperatur von Raumtemperatur bis 450°C; und Wärmebehandeln der Schlickerschicht bei Temperaturen von 750° bis 1250°.The solution to this problem is characterized according to the invention by the steps: Prepare a slip by mixing a binder solution with an Al and / or Cr containing starting powder and at least one element Addition powder comprising Al, Pt, Pd or si, the addition powder being at a starting powder containing Al only does not include Al; Apply the key ckers on the surface to be armored; Add ceramic hard particles to the lock before or after application of the slip, the size of which is selected such that they protrude over the layer after heat treatment; Drying the slip layer at a temperature from room temperature to 450 ° C; and heat treatment the slip layer at temperatures from 750 ° to 1250 °.

Der Vorteil dieses Verfahrens liegt darin, daß die Panzerung mit einem fertigungs technisch einfachen Verfahren auf das Bauteil aufgebracht werden kann. Zudem sind die keramischen Hartpartikel in der Schlickerschicht sicher eingebettet und mit dem Bauteil fest verbunden.The advantage of this method is that the armor with a manufacturing technically simple process can be applied to the component. Also are the ceramic hard particles safely embedded in the slip layer and with the Component firmly connected.

In einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens werden die Hartpartikel dem Schlicker vor dem Auftragen auf die zu panzernde Oberfläche zugemischt. Auf diese Weise sind die Partikel in dem in einer Suspension vorliegenden Schlicker gleichmä ßig verteilt.In a preferred embodiment of the method, the hard particles are Slurry mixed before application to the surface to be armored. To this The particles in the slurry present in a suspension are uniform widely distributed.

In einer alternativen Ausgestaltung werden die Hartpartikel nach dem Auftragen in die Schlickerschicht eingesetzt, wodurch sich z. B. eine spezielle Anordnung der Par tikel auf der zu panzernden Oberfläche erzielen läßt.In an alternative embodiment, the hard particles are deposited in the slip layer used, which z. B. a special arrangement of the par can achieve particles on the surface to be armored.

Bevorzugt werden Hartpartikel aus BN, SiC oder Al₂O₃ verwendet, da diese härter als die Schlickerschicht sind und sich beim Betrieb in Einlaufbeläge od. dgl. einschnei den können.Hard particles of BN, SiC or Al ₂ O ₃ are preferably used, since they are harder than the slip layer and can cut into the running-in coatings or the like during operation.

Ferner ist bevorzugt, daß das Ausgangspulver aus MCrAlY besteht, wobei das Aus gangspulver - wie das Zugabepulver - bevorzugt in einer Korngrößenverteilung von 5 bis 120 µm vorliegt. Das M steht dabei für wenigstens eines der Elemente Ni oder Co. Anstelle von Y kann auch Hf oder Ce verwendet werden.It is further preferred that the starting powder consists of MCrAlY, the Aus gum powder - like the added powder - preferably in a grain size distribution of 5 up to 120 µm. The M stands for at least one of the elements Ni or Co. Hf or Ce can be used instead of Y.

Das Auftragen des Schlickers auf die zu panzernde Oberfläche des Bauteils erfolgt bevorzugt durch Spritzen, Pinseln oder Tauchen, wodurch sich das Verfahren ferti gungstechnisch einfach und kostengünstig durchführen läßt. Durch diese Art des Auftragens lassen sich auf einfache Weise lokal begrenzte Schichten auch auf geo metrisch komplizierten Bauteilen aufbringen. Zudem sind keine teuren und aufwen digen Spritz- oder Verdampfungsanlagen erforderlich. The slip is applied to the surface of the component to be armored preferably by spraying, brushing or dipping, whereby the process is finished technically simple and inexpensive to carry out. Through this kind of You can easily apply localized layers on geo Apply metrically complex components. In addition, they are not expensive and expensive injection or evaporation systems required.

Bevorzugt wird das Trocknen des Schlickers, der zusammen mit dem organischen oder anorganischen Bindemittel in einer Suspension vorliegt, über 0,5-4 Stunden durchgeführt, wobei sich eine Dauer von 1-2 Stunden als besonders vorteilhaft er wiesen hat.It is preferred to dry the slip together with the organic or inorganic binder in a suspension, over 0.5-4 hours performed, with a duration of 1-2 hours being particularly advantageous has pointed.

Bevorzugt ist ferner, daß die Schlickerschicht in Schutzgas, z. B. in Argon, oder im Vakuum wärmebehandelt wird, wobei das Wärmebehandeln der Schicht über 1-4 Stunden, bevorzugt über etwa 2 Stunden, durchgeführt wird, um die Schlickerschicht mit dem Bauteil und den Hartpartikeln über Diffusion zu verbinden.It is further preferred that the slip layer in protective gas, for. B. in argon, or in Vacuum is heat treated, heat treating the layer over 1-4 Hours, preferably over about 2 hours, is performed to the slip layer to connect with the component and the hard particles via diffusion.

Bevorzugt besteht das metallische Bauteil aus einer Legierung auf Nickel- oder Ko baltbasis, wobei das Bauteil ein Triebwerksbauteil, z. B. eine Turbinenschaufel, sein kann, auf deren Schaufelspitze die Panzerung aufgebracht wird.The metallic component preferably consists of an alloy on nickel or Ko balt basis, the component being an engine component, e.g. B. a turbine blade can, the armor is applied to the tip of the blade.

Bevorzugt macht das Zugabepulver bis zu 35 Gew.-% des Gesamtgewichts aus Aus gangs- und Zugabepulver aus.The added powder preferably makes up up to 35% by weight of the total weight starting and addition powder.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Beispiels näher erläutert.The invention is explained in more detail below using an example.

Bei einer Ausgestaltung des Verfahrens zum Herstellen einer Panzerung wird zu nächst zur Herstellung eines Schlickers ein MCrAlY-Pulver mit einem Zugabepulver zu einer Suspension mit einem üblichen anorganischen Bindemittel gemischt. In der Suspension liegt das Bindemittel mit 5-10 Gew.-% und zusätzlich Wasser mit 5-7 Gew.-% vor. Die Korngrößen der Pulverpartikel liegen zwischen 5 und 120 µm. In diese fließfähige und spritzbare Masse werden BN-Partikel eingebracht, deren Größe über jener der Pulverpartikel liegt.In one embodiment of the method for producing armor, next to produce a slip, an MCrAlY powder with an added powder mixed to a suspension with a conventional inorganic binder. In the Suspension is the binder with 5-10 wt .-% and additional water with 5-7 wt .-% in front. The grain sizes of the powder particles are between 5 and 120 µm. In this flowable and sprayable mass is introduced BN particles, their size lies above that of the powder particles.

In die Masse wird anschließend die Schaufelspitze einer Turbinenschaufel aus einer Nickelbasislegierung in der Weise eingetaucht, daß sich auf der zu panzernden Schaufelspitze eine Schlickerschicht bildet. Alternativ könnte der die Partikel enthal tende Schlicker z. B. auch mit einem Pinsel unter Bildung einer Schicht auf die Schau felspitze aufgetragen werden. Im nächsten Schritt wird der in einer Suspension vor liegende, noch feuchte Schlicker bzw. die Schlickerschicht bei Raumtemperatur über etwa 1,5 Stunden getrocknet.Then the blade tip of a turbine blade is made into a mass Nickel-based alloy immersed in such a way that on the to be armored Blade tip forms a slip layer. Alternatively, it could contain the particles slurry z. B. also with a brush to form a layer on the show tip of the rock can be applied. The next step will be in a suspension lying, still moist slurry or the slip layer at room temperature dried for about 1.5 hours.

Die getrocknete Schlickerschicht wird dann bei 1000°C etwa 2 Stunden im Vakuum wärmebehandelt, um eine Verbindung der Schlickerschicht mit dem Werkstoff der Turbinenschaufel und mit den Hartpartikeln durch Diffusion zu erzielen. Dabei sintern die in kugliger Form vorliegenden MCrAlY-Partikel wenigstens teilweise zusammen. Darüber hinaus kann auch Ni aus dem Grundwerkstoff austreten und in die Schlic kerschicht diffundieren. Nach dem Wärmebehandeln stehen die keramischen Hart partikel aus BN od. dgl. nach außen über die Schlickerschicht vor und können diese sowie die Schaufelspitze beim Betrieb schützen.The dried slip layer is then at 1000 ° C for about 2 hours in a vacuum heat treated to bond the slip layer to the material of the Turbine blade and with the hard particles to achieve by diffusion. Sintering the MCrAlY particles present in spherical form at least partially together. In addition, Ni can also escape from the base material and into the Schlic Diffuse core layer. After the heat treatment, the ceramic hard Particles of BN or the like. Outwards over the slip layer and can and protect the blade tip during operation.

Die BN-Partikel sind über die Schlickerschicht fest mit der Schaufelspitze verbunden und können sich während des Betriebs der Gasturbine beim Anstreifen in einen ge genüberliegenden Einlaufbelag einschneiden, um auf diese Weise eine Beschädigung der Schaufelspitze zu verhindern und die Spaltgröße zwischen dem rotierenden und dem stehenden Bauteil möglichst gering zu halten.The BN particles are firmly connected to the blade tip via the slip layer and can move into a ge during operation of the gas turbine Cut in the opposite inlet covering in order to damage it to prevent the blade tip and the gap size between the rotating and to keep the standing component as low as possible.

Claims

1. A method for producing an armor for a metallic component, which is provided on the surface thereof, characterized by the steps: producing a slip by mixing a binder solution with an Al and / or Cr-containing starting powder and at least one element made of Al, Pt , Pd or Si addition powder, wherein the addition powder does not comprise Al in a starting powder containing Al only; Applying the slip to the surface to be armored; Adding ceramic hard particles to the slip before or after application of the slip, the size of which is selected so that it protrudes over the layer after heat treatment; Drying the slip layer at a temperature from room temperature to 450 ° C; and heat treating the slip layer at temperatures from 750 ° to 1250 ° C.

2. The method according to claim 1, characterized in that the hard particles Slips should be mixed in before application.

3. The method according to claim 1, characterized in that the hard particles after applied in the slip layer.

4. The method according to one or more of the preceding claims, characterized in that hard particles of BN, SiC or Al ₂ O ₃ are used.

5. The method according to one or more of the preceding claims, characterized characterized in that the starting powder consists of MCrAlY, where M for Ni, for Co or stands for a combination of Ni and Co.

6. The method according to one or more of the preceding claims, characterized characterized in that the powders each have a particle size distribution of 5 to 120 µm.

7. The method according to one or more of the preceding claims, characterized characterized in that the application of the slip by spraying, brushing or Diving is done.

8. The method according to one or more of the preceding claims, characterized characterized in that the drying of the slip layer over 0.5-4 hours is carried out.

9. The method according to one or more of the preceding claims, characterized characterized in that the slip layer in protective gas, for. B. in argon, or in Va vacuum is heat treated.

10. The method according to claim 9, characterized in that the heat treatment is carried out over 1 to 4 hours, preferably over about 2 hours.

11. The method according to one or more of the preceding claims, characterized characterized in that the component made of an alloy based on nickel or cobalt consists.

12. The method according to one or more of the preceding claims, characterized characterized in that the component is a turbine blade, on the blade pointed armor is provided.

13. The method according to one or more of the preceding claims, characterized characterized in that the addition powder up to 35 wt .-% of the total weight Consists of starting and added powder.