DE2502609C2

DE2502609C2 - Überzugsband zur Verwendung beim Aluminid-Diffusionsüberziehen

Info

Publication number: DE2502609C2
Application number: DE2502609A
Authority: DE
Inventors: John Joseph Middletown Ohio Grisik
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1974-03-01
Filing date: 1975-01-23
Publication date: 1983-11-10
Also published as: GB1508473A; GB1508471A; BE822348A; DE2502609A1; DE2560464C2; FR2262702A1; DE2560537C1; IT1033219B; FR2262702B1; JPS50124842A; CA1051282A; GB1508472A; IL45597A0; IL45597A; JPS5856750B2

Description

2. Überzugsband nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht auf einem flexiblen Stützband angeordnet ist, das von der Schicht abziehbar ist.

3. Überzugsband nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet^ daß der Halogenidsalzaktivator NaF, Kf, NH4CI, NH₄F oder eine Mischung der vorgenannten Stoffe ist.

4. Überzugsband nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Überzugsmelaliqueüe eine Legierung aus 51 bis 61 Gew.-% Aluminium, Rest Eisen ist.

5. Überzugsband nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung aus 53 bis 58 Gew.-% Aluminium, Rest Eisen besteht.

6. Überzugsband nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Überzugspulver weiter einen Binder im Gemisch enthält und die Dicke der Schicht aus dem Überzugspulver im Bereich von 0,25 bis 1,25 mm Hegt.

7. Überzugsband nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Binder beim Erhitzen auf eine Temperatur unterhalb der zum Überziehen angewendeten Temperatur im wesentlichen ohne Restbildung zersetzbar ist.

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Die Erfindung betrifft ein Überzugsband zur Verwendung beim Aluminld-Diffuslonsüberzlehen, wobei die Überzugsmetallquelle Aluminium oder eine Aluminium enthaltende Legierung Ist.

Ein bekanntes Verfahren zum Überziehen von metallischen Gegenständen durch Diffusion ist in der DE-OS 41 924 beschrieben.

Bei diesem bekannten Verfahren wird ein schützender Aluminldüberzug auf die Oberfläche von Turbinenblatt- Ό teilen eines Gasturbinentriebwerkes aufgebracht.

Dieses bekannte Diffusionsverfahren besteht darin, daß der zu aberziehende Gegenstand erst In eine pulverisierte Mischung eingebettet und dann darin auf 900 bis 1100° C erhitzt wird. Die pulverisierte Mischung besteht « aus einer Elsen-Alumlnlum-Leglerung oder einer intermetallischen Verbindung, die mindestens 50% Aluminium enthält sowie einem Halogenidsalzaktivator, der mit dem metallischen Pulver reagiert, um den überziehenden Metallhalogenlddampf zu bilden.

Es Ist häufig notwendig, den Überzug solcher überzogener Gegenstände zu reparieren, beispielsweise nachdem der Gegenstand In einem Gasturbinenwerk eingesetzt worden Ist. In anderen Fällen sind Überzugsreparaturen während der ersten Herstellung oder als Folge von weite- *⁵ ren Bearbeitungsverfahren, die nach dem Überziehen durchgeführt werden, bei einer vollständigen Überholung notwendig.

Während der anfänglichen Herstellung eines Gegenstandes können die gewöhnlich angewendeten Alumlnid-Überzugsverfahren, die Im allgemeinen eine relativ hohe Temperatur erfordern, mit Verbindungsverfahren wie dem Löten, koordiniert werden, um auf diese Weise den fertigen Gegenstand nicht nachteilig' zu beeinflussen. Während der Reparatur oder Überholung eines derartigen gelöteten oder geschweißten Gegenstandes muß jedoch .dafür Sorge getragen werden, daß der Reparaturüberzug die Qualität und Unversehrtheit der gelöteten bzw. geschweißten Verbindung beibehält.

Es hat sich gezeigt, daß Dicke und Zusammensetzung des aufgebrachten Überzuges bei dem bekannten Verfahren, bei dem der Gegenstand In die Pulvejrnlschung eingebettet wird, nicht ausreichend gesteuert werden können.

Der vorliegenden Erfindung lag daher die Aufgabe zugrunde, ein Mittel zu schaffen, mit dem die Dicke und Zusammensetzung des aufgebrachten Überzuges besser gesteuert werden können. Dieses erfindungsgemäße Mitte! ist ein Überzugsband der eingangs genannten An, das dadurch gekennzeichnet ist, daß das Überzugspulver eine Überzugsmetallquelle und einen Halogenidsalzaktivator im Gemisch mit der ÜberzugsmetaKquelle enthält und in einer Schicht von im wesentlichen gleichförmigen Dicke angeordnet Ist.

Mit dem erfindungsgemäßen Überzugsband kann man Gegenstände entweder vollständig überziehen oder man kann es für die örtliche Reparatur eine Aluminldüberzuges bei einer Temperatur unterhalb derjenigen verwenden, die entweder auf einen vorher aufgebrachten Überzug oder auf Materlallen, wie Löt- bzw. Schwelßleglerungen, die zur Verbindung von Komponenten der Gegenstände verwendet worden sind, nachteilig auswirken können.

Zur besseren Handhabbarkeit ist die Schicht gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform auf einem flexiblen Stützband angeordnet, das von der Schicht abziehbar Ist.

Der Halogenidsalzaktivator kann vorteilhaft NaF, KF, NH^Cl, NH₄F oder eine Mischung der vorgenannten Stoffe sein.

Gemäß einer Ausführungsform ist die Überzugsmetallquelle eine Legierung aus 51 bis 61 Gew.-% Aluminium, Rest Eisen, vorzugsweise 53 bis 58 Gew.-% Aluminium, Rest Elsen. In dieser Legierung liegen die beiden Phasen FejAlj und FeAIi vor.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform enthält die Schicht In einer Mischung mit dem Überzugspulver einen Binder, vorzugsweise einen solchen, der sich beim Erhitzen Im wesentlichen ohne Restbildung zersetzt.

Das Überzurjsband nach der vorliegenden Erfindung ist wirksam und gestattet das steuerbare Überziehen ohne Nachteil für entweder den Gegenstand oder. Im Falle eines Ausbesserungsüberzuges, für einen angrenzenden Alumlnldüberzug. Es hat nicht die Nachtelle gewisser bekannter Überzugsmaterialien, bei denen entweder die Temperatur für Reparaturanwendungen übermäßig hoch wurde, die Oxidationsbeständigkeit unzureichend war oder der Gegenstand, der benachbarte Überzug oder beides, nachteilig beeinflußt wurden. Beispielsweise führte die Anwesenheit von Silizium in einem derartigen Reparaturüberzug zu einer starken Sl-Dlffuslon, Insbesondere in Nlckelbasls-Superleglerungen, was zu einer Änderung des Gefüges bis zu einer wesentlichen Tiefe führte, wenn man den mit dem Reparaturüberzug versehenen Gegenstand bei hoher Temperatur einer oxydierenden Umgebung aussetzte.

Die gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung

als Aluminlumquelle FGr das Oberziehen mit Alumlnid eingesetzte Alumlnlum-Eisen-Leglerung hat eine Aluminiumaktivität, die betrachtlich höher ist als die Aluminiumaktivität üblicher Oberzugspulver, die bei den Reaktionstemperaturen nicht schmelzen. Eine solche hohe Aktivität ist erstrebenswert, um die die Reaktion antreibende Kraft bei einer verminderten Temperatur zu vergrößern. Die beiden intermetallischen Verbindungen Fe₂Al₅ und FeAIj weisen diese erwünschte hohe Aluminiumaktivität auf, die eine relativ niedrige potentielle . Anwendungstemperatur gestattet.

Das binäre Phasendiagramm für Al-Fe zeigt eine zweiphasige Struktur von Fe₂Al₅ und FeAI₃, die zwischen 53 bis 58 Gew.-% Al, Rest Fe besteht und die sandwichartig zwischen zwei einphasigen Bereichen von Fe₂AI₅ und FeAI₅ angeordnet ist. Dieser gesamte Bereich mit den vorgenannten einphasigen und zweiphasigen Gefügen, umfaßt den Bereich von 51 bis 61 Gew.-5fe Al, Rest Eisen. Das zweiphasige Gefüge hat den Vorteil, daß die Al-Aktivität unabhängig von der Zusammensetzung innerhalb dieses zweipiiasigen Bereichs, gleichförmig und hoch ist. Gleichzeitig hat diese zweiphasige Legierung eine relativ hohe Llquldustemperatur oberhalb von 1150⁰C. Dies gestattet, daß das Überziehen bei einer Temperatur von etwa 980 bis 1010° C durchgeführt werden kann, ohne daß das Risiko besteht, daß das Legierungspulver, das als eine Quelle für Aluminium wirkt, wenigstens teilweise schmilzt. Das Schmelzen bewirkt pickelartige Oberflächenfehler und eins unerwünschte Überzugsstruktur.

Um eine Im Vergleich» dazu äquivalente Aktivität mit binären Verbindungen wie TlAI oder NiAl zu erhalten, ist ein höherer Gew.-St-Satz von Aluminium erforderlich. Eine derartige größere Aluminlur,,msnge senkt jedoch die Schmelztemperatur der Legierung, beispielsweise haben Im NIAI-System 60 Gew.-% Aluminium eine Aktivität, die derjenigen von Fe₂AI₅, FeAIj äquivalent ist. In solchen Fällen ist bei einer gewünschten Überziehungstemperatur von etwa 980° C die pulverisierte NlAI-Leglerung teilweise flüssig.

Die einphasigen Bereiche für FeiAls und FeAIj, die den zweiphasigen Bereich sandwichartig einschließen, sind als Überzugsmaterialien brauchbar, obwohl sich die Al-Aktivltät und die (Jberzugscharakeristlken mit der Zusammensetzung ändern. Aufgrund der relativ schmalen einphasigen Bereiche kann die Änderung der Charakteristiken für gewisse Anwendungsfälle jedoch toleriert werden.

Bei der örtlichen Reparatur von Überzügen aus Alumlnid auf einem Gegenstand aus beispielsweise Nickel- oder Kobalt-Superlcgierungen, ist es zunächst wünschenswert, die zu behandelnde Oberfläche von einer etwaigen Oberflächenverschmutzung zu reinigen. Hierzu können Oxydatlons-, Korrosionsprodukte oder beides, Öl, Verbrennungsprodukte usw. gehören. Anschließend wird das Überzugsband mit der gereinigten Oberfläche In einer nlcht-oxydierenden Atmosphäre In Gegenwart eines Halogenldsalzaktiyators In Kontakt gebracht, wobei der Aktivator mit der Überzugsmetallquelle reagiert, um ein Halogenid des Überzugsmetalls zu bilden, wie beispielsweise ein Aluminlumhalogenld. Dann wird In an sich bekannter Welse ein das Alumlnid bildendes Diffusionsverfahren durchgeführt.

Die Zusammensetzung und die Dicke eines Aluminldüberzuges sind Funktionen sowohl der Aktivität als auch der Menge Aluminium, die In der Verfahrenszelt von der Alumlnldquelle auf die zu überziehende Oberfläche übertraeen werden kann. Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird die Aktivität der Aluminiumquelle durch die Verwendung der vorstehend beschriebenen Legierung aus 53 bis 58 Gew.-% Aluminium, Rest Elsen, auf einem gleichförmigen Niveau gehalten. Die Steuerung der Überzugsdicke hängt von der Kinetik der Diffuslonsreaktlonen an der Gegenstandsoberfläche (wobei die Kinetik von der Temperatur und den Aktivitäten abhängt) und ferner von der Menge des Aluminiums ab, das von dem Oberzugsband auf die Gegenstandsotarfläche abertragen werden kann. Die erforderliche Menge des Überzugspulvers auf dem Überzugsband kann durch Massenrestberechnungen und experimentelle Versuche ermittelt werden. Wenn die gewünschte Menge einmal ermittelt Ist, wird die gleichförmige Aufbringung dieser Menge mit einem Band ein Verfahren der Steuerung.

Ein besonders vorteilhaftes Ausführungsbeispiel der Erfindung Ist ein Oberzugsband, das neben dem Oberzugspulver noch einen Binder aufweist.

Ein derartiges Überzugsband, das in seiner hier gebrauchten Bedeutung verschieden geformte und bemessene Blätter, Filme usw. einschließen soll, wurde dadurch hergestellt, daß zunächst das Überzugspulver mit einem Binder vermischt wurde. Der Binder war in diesem Beispiel von der bevorzugten Art, die sich bei Erhitzen auf Überzugstemperatur von beispielsweise 980° C Im wesentlichen ohne Restbildung zersetzte.

Ein derartiger üblicherweise verwendeter Binder ist eine Lösung aus Acrylharz, die in mehreren Formen kommerziell erhältlich Ist, Insbesondere für die Lot- bzw. Schweißtechnik.

Das Überzugspulver, das vorzugsweise In dem Größenbereich entsprechend einer Siebung mit einer lichten Maschenweite von etwa 0,15 bis 0,045 mm Hegt, wurde mit genügend Binder gemischt, um eine Paste zu bilden. Dann wurde die Paste In gleichförmiger Dicke auf eine Oberfläche aufgetragen, um das Band, das Blatt, den Film usw. zu bilden. Zweckmäßigerweise wird eine derartige Paste oder ein derartiger Brei auf ein flexibles Stützband aus beispielsweise Polyäthylen aufgetragen, das auf einer stabilen Platte getragen ist, so daß das Stützband das Überzugsband vor einem Bruch schützt. Die bevorzugte Dicke des Überzugspulvers in einem derartigen Überzugsband beträgt 0,25 bis 1,25 mm, obwohl diese Dicke in Abhängigkeit von der Aluminiummenge, die von dem Überzugspulver in die behandelte Gegenstandsfläche übertragen werden soll, verändert werden kann.

Da die Dicke und Zusammensetzung des gebildeten Überzuges für ein gegebenes Überzugspulver von der Menge des auf die Oberfläche aufgebrachten Überzugspulvers abhängt, gewährleistet die Ausbildung des Überzugspulvers in Form eines Bandes gleichförmiger Dicke eine enge Steuerung des aufgebrachten Überzuges und desgleichen der Wirtschaftlichkeit.

Nach dem Aufbringen der Paste auf das flexible Stützband und Ihrer Verteilung auf die gewünschte Dicke, wurde der Binder teilweise verdampft, wobei er ein biegsames Band mit konstanter Dichte und Dicke zurückließ.

Das Ausbilden eines Aluminlds wird dann In üblicher Welse fortgesetzt, Indem man den Gegenstand In einer nicht oxydierenden Atmosphäre In Gegenwart eines Halogenldsalzaktlvators anordnet und die Temperatur auf beispielsweise 980 bis 1010⁰C für eine Zelt erhöht, die zum Diffundieren von Aluminium In die zu überziehende Oberfläche erwünscht Ist. Elsen wird von der Elsen-Alumlnlumleglerung nicht In die überzogene Oberflache übertragen.

Zur Erprobung der Erfindung wurden verschiedene Etsen-Aluininiumpulver verwendeL Die folgende Tabelle gibt eine Analyse einiger derartiger Pulver:

Tabelle
Pulverzusammensetzung

Beispiel

Zusammensetzung (Gew.-*)
Pe A! andere

Phasen

46,3
45,7
40,7

53,7
53,4
58,9

0,3

0,89

0,48

Fe₂Al₅,FeAh

Fe₂AI₅

FeAl₁

10

15

Die Teilchengröße der in der vorstehenden Tabelle verwendeten Pulver bewegte sich in dem Bereich entsprechend einer Siebung mit der lichten Maschenweite von 0,15 bis 0,045 mm. Eine Röntgenstrahlenanalyse der Pulver zeigte, daß sie aufgrund der Tatsache, daß die tatsächliche Zusammensetzung der Pulver nicht genau gleich derjenigen war, die zur Erzeugung nur einer stöchiometrlschen Verbindung notwendig ist, eine Mischung von Fe₂AI₅ und FeAh waren.

Es wurden die Eigenschaften von Ausbesserungsoberzügen bei Nickelbasis- und Kobaltbasls-Superlegierungen untersucht, für die die Legierungen Rene' 80 und X-40 typische Beispiele sind. Die nominellen Zusammensetzungen dieser· Legierungen sind in Gew.-S>:

0,!7 C, 14 Cr, 5 Ti, 0,015 B, 3 Al, 4 W, 4 Mo, 9,5 Co, 0,06 Zr, Rest im wesentlichen Nl und übliche Verunreinigungen für eine Rene' 80-Legierung und

0,5 C, 25,5 Cr, 7,5 W, 10,5 Ni, Rest Co und übliche Verunreinigungen für eine X-40 Legierung.

Zur Herstellung dieser AusbessernngsüberzQge wurden Proben der Legierungen erst mit einem Aluminidüberzug überzogen, und danach ein Teil des Überzuges entfernt.

Die vorgenannten Überzugspulver wurden dazu mit einem Acrylbinder gemischt, eine Paste gebildet und diese in einer gleichförmigen Schicht auf ein flexibles plast'-sches Stützband aufgebracht. Ein Teil des Binders wurde verdampft, um ein Überzugsband mit dem Überzugspulver in einer Dicke von etwa 0,25 bis 0,75 mm zu erzeugen. Ein Teil des Bandes wurde auf eine geeignete Gr^ße geschnitten und mit dem vom Überzug befreiten Bereich mit einem Acrylharzzement verbunden. Wie der bei der Bildung der Paste verwendete Binder hatte auch der Zement die Eigenschaft, daß er sich bei Erhitzung im wesentlichen ohne Restbildung zersetzte.

Die Proben wurden dann in einen Überzugskasten in Gegenwart eines NH,F-Aktivators eingebracht. Kasten und Inhalt erhitzte man auf 980° C und hielt sie für vier Stunden in einer nlcht-oxydierenden Atmosphäre, wie Wasserstoff oder Argon, auf dieser Temperatur. Die Proben wurden dann herausgenommen und der Rest des Pulvers wurde entfernt, indem man es von der Fläche abbürstete, die mit einem Ausbesserungsüberzug versehen worden war. Ein Charakterii-rifcum des erfindungsgemäßen Überzugsbandes ist, dall es milcht selbst Teil des Überzuges wird, da das Eisen der Elsen-AIuminiumlegierung nicht in den Überzug wandert. Eine derartige Legierung wirkt lediglich als eine nicht-schmelzende Aluminiunnuelle für eine Diffusion In das Substrat. Somit wird nach dem Diffusionsüberziehen der Pulverrest von dem verbleibenden Band entfernt.

Schliffbild-Untersuchungen des augenscheinlichen Überganges zwischen dem ausgebesserten und dem ursprünglichen Aluminidüberzug zeigten praktisch keine Diskontinuität und machten eine Identifizierung einer derartigen Grenzfläche sehr schwierig. In verschiedenen Versuchen, zu denen Oxydation, Hitzekorrosion und thermische Ermüdung gehörten, wurde gefunden, daß der Ausbesserungsüberzug praktisch das gleiche leistete, wie der ursprüngliche Aluminidüberzug.

Claims

Patentansprüche:

1. Überzugsband zur Verwendung beim Aluminid-Diffusionsüberzlehen, wobei die Uberzugsmetallquelle Aluminium oder eine Aluminium enthaltende Legierung ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Überzugspulver eine Überzugsmetallquelle und einen Halogenidsalzaktivator im Gemisch mit der Überzugsmetallquelle enthält und in einer Schicht von im wesentlichen gleichförmiger Dicke angeordnet ist.