DE2633356A1

DE2633356A1 - Verfahren zum aufbringen eines metallueberzuges auf ein substrat

Info

Publication number: DE2633356A1
Application number: DE19762633356
Authority: DE
Inventors: Adrian Maurice Beltran; William Frederick Schilling; Gerald Edward Wasielewski
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1975-07-28
Filing date: 1976-07-24
Publication date: 1977-02-17
Also published as: GB1545961A; FR2319798A1; JPS5221240A; IT1067076B; NL7607143A; US3952939A; FR2319798B1; DE2633356C2; NO145684C; NO762610L; NO145684B; JPS5638310B2

Description

Verfahren zum Aufbringen eines Metallüberzuges auf ein Substrat.

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Verbinden eines Metallblechüberzuges mit einem Legierungssubstrat und insbesondere auf ein Verfahren zum metallurgischen Verbinden eines oxidations- und hitzekorrosions- beständigen Auflagebleches mit einer Legierungsstruktur, wie konvexen und konkaven Oberflächen beispielsweise eines Flügels, der als eine Düse oder Blatt in einer Gasturbine verwendet wird.

Die Oberflächeninstabilität von strukturellen Substraten aus Superlegierungen stellt sich als ein signifikantes Problem dar für fortgeschrittene Industrie-, Luftfahrt- und

709 8 0 7/0736

Marine-Gasturbinen. Durch die Verbrennung von schweren Ölen werden stark korrosive Umgebungen geschaffen, und wenn diese mit höheren Brenntemperaturen und längeren Wartezeiten kombiniert werden, entstehen einige sehr strikte Einschränkungen bei der Auswahl von Materialien. Zusätzlich können weitere korrosive Elemente bei Applikationen der Turbine in der Schiffahrt aufgrund des Seesalzes hinzukommen. Es ist ständig schwieriger geworden, sowohl hohe Kriechbruchfestigkeit als auch gute Korrosionsbeständigkeit allein durch änderung der Legierungszusätze zum Basismetall zu erzeugen aufgrund der komplexen Wechselwirkungen zwischen den Elementen, die im allgemeinen günstig sind für die eine Eigenschaft und nachteilig für die andere. Es sind verschiedene Überzugs- und Plattierungsverfahren entwickelt worden, die zum Ziele haben, für einen Oberflächenschutz eines ansonsten starken Substrates aus einer Superlegierung zu sorgen. Das Verbinden einer oxidations- und hitzekorrosionsbeständigen Blechplattierung auf ein Blatt- oder Düsensubstrat stellt eine Lösung für das Problem der Oberflächeninstabilität dar.

Die US-PS 3 699 642 beschreibt ein Verfahren zum Aufbringen einer Auflage auf ein konvexes-konkaves Substrat. Demzufolge wird eine vorgeformte Auflage aus Metallblech auf einem konvex-konkaven Substrat angebracht. Das Substrat mit der Auflage wi-rd in eine Druckkammer eingebracht und die gesamte Anordnung wird mit einem Pulver aus Metalloxid umgeben, das als ein druckübertragendes Medium verwendet wird. Änschliessend werden Wärme und Druck auf die Anordnung über das drückübertragende Medium aus pulverförmigem Metalloxid durch eine axial arbeitende Pressvorrichtung ausgeübt. Es sei darauf hingewiesen, dass isostatische Pressmethoden mit Heissgas speziell als nachteilig bezeichnet sind und dass das pulverförmige Druckübertragungsmittel ein Metalloxid ist, das sich nicht verdichtet.

709807/0736

In der deutschen Patentanmeldung P 25 43 961 ist ein anderes Verfahren zum Verbinden einer Blechauflage mit einem konvex-konkaven Substrat vorgeschlagen. Kurz zusammengefasst umfasst dieses Verfahren die folgenden Schritte: Es wird eine Blechauflage an ein Substrat vorgeformt, so dass die Auflage mit den konkaven und konvexen Oberflächen des Substrates eng übereinstimmt ; der Raum zwischen der Auflage und dem Substrat wird evakuiert; alle Säume zwischen dem Auflageblech und dem Substrat werden in Vakuum gelötet; die Auflage und das Substrat werden durch Diffusion miteinander verbunden, wobei ein isostatischer Heissgasdruck verwendet wird. Bei der Durchführung des vorgenannten Verfahrens hat sich herausgestellt, dass die Evakuierungs- und Lötschritte im Vakuum bewirken, dass sich eine Druckdifferenz an der Grenzfläche von Auflage und Substrat aufbaute, die dazu fühute, dass das Auflageblech in die konkaven und lonvexen Oberflächen des Substrates gezogen wurde , nachdem die die Auflage und das Substrat umfassende Anordnung aus dem Vakuumofen herausgezogen wurde und bevor der Diffusionsverbindungsschritt durchgeführt wurde. Andererseits waren aber diese Evakuierungs- und Lötschritte im Vakuum von grossem Vorteil für die Verbesserung der Wirkung der Diffusionsverbindung.

Die vorliegende Erfindung hat den Zweck, in dem vorgenannten Verfahren das Löte"n in Vakuum überflüssig zu machen. Dieses Vakuum-Löten ist zeitraubend bezüglich des Erhitzens und Abkühlens des Substrates mit der Auflage. Darüber hinaus erfordert das Vakuum-Löten eine grosse Sorgfalt um sicherzustellen, dass keine Leckstellen zwischen der Auflage und dem Substrat vorhanden sind. Weiterhin ist darauf hinzuweisen, dass bei einem Substrat mit einer komplexen Form die Schwierigkeiten des Vakuum-Lötens noch verstärkt werden.

Es ist deshalb eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren für eine Diffusionsverbindung einer Blechauflage mit einem konvexen-konkaven Substrat zu schaffen.

709807/0736

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch ein Verfahren gelöst, bei dem eine Blechauflage an ein Substrat vorgeformt wird und die zwischen der Auflage und dem Substrat gebildeten Säume maskiert werden. Anschliessend wird die die Auflage und das Substrat umfassende Anordnung in einen deformierbaren Behälter eingesetzt, wo die Anordnung vollständig in einem granulären, sich verdichtenden druckübertragenden Medium eingetaucht ist. Das druckiibertragende Medium umfasst vorzugsweise Glasperlen oder Chips, die während des Diffusionsbindungsschrittes geschmolzen werden. Der deformierbare Behälter einschliesslich des Substrates mit der Auflage und des druckiibertragenden Mediums wird entgast und abgedichtet. Anschliessend werden der Behälter und sein Inhalt während der Diffusionsverbindung einem bezüglich der Zeit und der Temperatur programmiertem isostatischen Heissgas-Druckzyklus unterworfen.

Die Erfindung wird nun mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand der folgenden Beschreibung und der Zeichnung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels erläutert.

Figur 1 ist ein Foto und zeigt die Struktur d«r Verbindungslinie einer Ni-50Cr-Auflage, die mit einem IN738B-Substrat verbunden ist.

Figur 2 zeigt eine Flügelstruktur, die nach dem erfindungsgemässen Verfahren hergestellt ist.

Figur 3 ist eine Kurvendarstellung und zeigt typische Druck-Temperatur-Zeitkurven für den Diffusionsverbindungsschritt.

Die Auflage und das Substrat werden sorgfältig gereinigt, bevor das erfindungsgemässe Verfahren durchgeführt wird, um für die Diffusionsbindung nachteilige Bestandteile zu beseitigen. Die Grenzflächen zwischen der Auflage und dem

709807/0736

Substrat können beispielsweise mit einer dünnen Plattierung oder einem Niederschlag aus Nickel versehen und einer Wärmebehandlung in Vakuum unterzogen werden. Es können auch andere Schritte durchgeführt werden, wie beispielsweise das Abreiben, Schleifen oder Entgasen in Vakuum der Oberfläche. Anschliessend wird die Auflage an dem Substrat angebracht, so dass die Auflage mit der Form des Substrates eng übereinstimmt. Ein Verfahren zum Zusammenbau der Blechauflage mit dem Substrat ist in der deutschen Patentanmeldung P 25 43 970 vorgeschlagen. Kurz zusammengefasst umfasst dieses Verfahren die folgenden Schritte: Die Form der Auflage wird grob an diejenige des Substrates angepasst, so dass die Auflage eng an der konvexen Oberfläche des Substrates anliegt, während die Auflage gegenüber der konkaven Oberfläche des Substrates von der konkaven Oberfläche beabstandet ist, die Anordnung aus der Auflage und dem Substrat wird in einer abgedichteten Gummiform angeordnet und es wird ein isostatischer Druck auf die Form ausgeübt, um die Auflage zu deformieren, damit sie mit der konkaven Oberfläche des Substrates in Berührung kommt.

Nachdem die Auflage und das Substrat zusammengesetzt sind, wird die Anordnung weiter bearbeitet, indem alle Säume maskiert werden, die zwischen der Auflage und dem Substrat gebildet sind, um ein Eindringen des druckübertragenden Mediums in die Grenzfläche zwischen dem Substrat und der Auflage zu vermeiden. Die Maskierung kann dadurch ausgeführt werden, dass die Säume umwickelt werden oder die Auflage mit dem Substrat entlang den Säumen durch Haftschweissen verbunden wird. Löten ist ein anderes Verfahren, das während der Maskierung verwendet werden könnte. Alles was gemacht werden muss, ist also irgendeine Massnahme, dass das druckübertragende Medium, sei es nun im festen oder geschmolzenen Zustand, daran gehindert wird, in die Grenzfläche zwischen der Auflage und dem Substrat einzudringen.

709807/0736

Die maskierte Anordnung wird dann in einen deformierbaren Metallbehälter (weicher Stahl) eingesetzt, der unter bei

νzusammenbrieht Diffusionsbindung auftreTenäeri DruckerS.Das Volumen des deformierbaren Behälters ist so gewählt, dass die das Substrat und die Auflage umfassende Anordnung vollständig in ein granuläres, sich verdichtendes druckübertragendes Medium mit ausreichenden Spielräumen um die Kanten der Anordnung herum eingetaucht sind, so dass während des Diffusionsbindungsprozesses durch isostatisches Heissgaspressen kein Rand der Anordnung den Behälter beim Zusammenbrechen durchbohrt. Perlen oder Stückchen (Chips) aus Glas sind als druckübertragendes Medium bevorzugt, da das Glas sich verdichtet und bei Diffusionsbindungstemperaturen geschmolzen wird, um ein optimales hydrostatisches Druckübertragungsmedium zu bilden. Darüber hinaus ist Glas relativ inert, leicht entgast und kann nach der Diffusionsbindung leicht von der Oberfläche der Anordnung beseitigt werden.

Nachdem der deformierbare Behälter mit sowohl der maskierten Anordnung aus der Auflage und dem Substrat als auch dem druckübertragenden Medium gefüllt ist, besteht der nächste Schritt darin, den Behälter nach seiner Entgasung abzudichten. Dies wird durch eine heisse Evakuierung der gesamten Anordnung erreicht, woran sich eine Abdichtung durch Hammer-Schweissung von dem Vakuumsystem anschliesst.

Der abgedichtete Behälter wird in einen Heissgas-Autoklav (heisse isostatische Presse) zur Diffusionsbindung bei geeigneten Temperaturen und Drucken eingebracht. Figur 3 zeigt beispielsweise eine Zeit- Temperatur- Druckkurve für einen typischen Verbindungszyklus. Während der Diffusionsverbindung verflüssigen sich die Glasperlen (sie werden viskos) und die anschliessende Volumenänderung bewirkt, dass der deformierbare Behälter um die Auflage und das Substrat herum teilweise zusammenbricht, wodurch sichergestellt wird,

709807/0736

dass um die Anordnung herum ein isostatischer Beanspruchungszustand besteht. Die während der Diffusionsverbindung verwendeten Temperaturen und Drucke hängen von den Materialien ab, die miteinander verbunden werden. Es ist jedoch sorgfältig darauf zu achten, dass hohe Drucke (mehr

ο
als 70 kg/cm ) vermieden werden, bevor das druckübertragende Medium erweicht ist. Die Ausübung eines hohen Druckes, bevor die Glasstückchen weich geworden sind, kann ein schlechtes Oberflächenfinish bewirken.

Nach dem Diffusionsbindungsschritt wird die Anordnung aus der Auflage und dem Substrat aus dem deformierbaren Behälter herausgenommen und Glas, das an den Oberflächen der Anordnung anhaftet, wird durch Sandblasen oder ein an-

vAb!.schrecken, schliessendes Erhitzen in Vakuum oder durch | der Anordnung mit Wasser entfernt. Anschliessend kann die verbundene Auflage-Substratanordnung einer abschliessenden Wärmebehandlung unterzogen werden, falls dies erforderlich ist. Die Struktur der Verbindungslinie einer Auflage-Substratanordnung nach der Diffusionsbindung ist in Figur 1 gezeigt, während das fertige Produkt nach dem Reinigen in Figur 2 gezeigt ist.

Beispiel

Ein konv.exes und konkaves Substrat aus IN738B wurde in

.,maschinell,
einemibearbeiteten und wärmebehandelten Zustand chemisch gereinigt unter Verwendung einer HF/HNO₃-Lösung und dann wurde ihm eine dünne (o,ol - o,o25 mm) Nickelplattierung (Niederschlag) gegeben. Die Grosse des zu überdeckenden Abschnittes betrug etwa 6,25 cm in der Breite an der Basis und etwa 8,75 cm in der Höhe. Dem plattierten Teil wurde dann eine Vergütung unter Vakuum bei 1120 C/l Stunde (2O5O°F/1 Stunde) gegeben, um eine gute Anhaftung der Nickelplattierung an dem IN738B-Substrat sicherzustellen. Dann wurde ein Auflage-Rohling aus Ni-50Cr-Legierung mit

709807/0736

einer Dicke von etwa 0,25 mm (10 mils) hergestellt. Die Auflage wurde mit feinem Schmirgelpapier gesäubert und in Aceton gespült. Dann wurde die Auflage an das konvex-konkave Substrat vorgeformt, wobei das in der deutschen Patentanmeldung P 25 43 970 vorgeschlagene Verfahren angewendet wurde. Es wurde sorgfältig darauf geachtet, dass eine Verunreinigung der Grenzflächen vermieden wurde.

Nachdem die Auflage an das Substrat vorgeformt war, wurden alle Säume (zur Verhinderung des Eindringens von geschmolzenem Glas) durch das Aufbringen einer Tantalfolie (etwa 0,125 mm dick) maskiert. Tantal wurde für das Maskierungsmaterial gewählt aufgrund seiner geringen Neigung, mit der Anordnung aus der Auflage und dem Substrat zu reagieren oder zu interdiffundieren. Die Tantalmaskierung wurde durch Punktschweissen an den Säumen angebracht, um einen vollständigen Einschluss der Säume sicherzustellen.

Ein deformierbarer Behälter aus weichem Stahl mit den Abmessungen von etwa 19 cm χ 11,5 cm χ 4,45 cm (7,5 χ 4,5 χ 1,75 Zoll) wurde durch Schweissen hergestellt und anschliessend wurde das Glasblasen verwendet, um einen sauberen Innenraum zu erzeugen. Als druckübertragendes Medium wurden Stückchen aus Borsilikatglas benutzt. Borsilikatglas wurde für diesen Zweck verwendet aufgrund seiner hohen Viskosität bei der Bdndungstemperatur, wodurch die Möglichkeit des Eindringens von Glas vermindert wurde. Es wurden etwa 2,5 cm von Stückchen mit einer einer Siebung mit einer lichten Maschenweite von 3,5 bis 5 mm entsprechenden Grosse (4-6 Mesh) in den Behälter aus "weichem" Stahl gegossen und dann wurde die Anordnung aus der Auflage und dem Substrat in den Behälter eingebracht. Das übrige Volumen wurde durch Vibration mit zusätzlichen Stückchen bzw. Chips gefüllt. Ein oberer Deckel für den Behälter und ein Evakuierungsrohr wurden angeschweisst und dann wurde der Behälter bezüglich eines Vakuumlecks getestet auf einem Helium-

709807/0738

Massenspektrometer-Leckdetektor. Der Behälter und sein Inhalt wurden bei 315°C (600°F) für 16 bis 20 Stunden evakuiert, bis eine statische Entgasungsgeschwindigkeit von weniger als 3OyUm Hg/h erreicht war. An diesem Punkt wurde die Anordnung unter Vakuum abgedichtet, wobei eine Hammer-Schweisstechnik verwendet wurde.

Die Diffusionsbindung wurde in einem Heissgas-Autoklav (heisse isostatische Presse) gemäss der in Figur 3 gezeigten Druck/Temper.': tur-Ze it kurve durchgeführt. Es sei darauf hingewiesen, dass die Diffusionsbindung begonnen wurde, wenn der Autoklav auf etwa 760°C (1400⁰F) vorgeheizt ist. Bei dieser Temperatur werden die Glasstückchen weich und demzufolge kann anschliessend Druck ausgeübt werden, ohne dass der Oberfläche der Anordnung ein Muster aufgedrückt wird. Die Temperatur und der Druck werden dann auf etwa 1150°C (2100⁰F) und auf 1050 kg/cm² (15000 psi) für etwa 30 Minuten erhöht, um eine Diffusionsbindung sicherzustellen, und anschliessend wird die Temperatur schnell gesenkt, um eine Interdiffusion der Teile zu verhindern.

Wenn das Glas geschmolzen wird, bewirkt die Zustandsänderung, dass der Behälter aufgrund des ausgeübten Aussendruckes zusammenbricht. Das sich verdichtende Glas bewirkt einen innigen Kontakt zwischen dem Substrat und der Auflage innerhalb des Behälters, wodurch ein echter isostatischer Beanspruchungszustand in dem Behälter sichergestellt wird. Am Ende der Diffusionsbindung wird der Behälter aus dem Autoklav herausgenommen und von etwa 870 bis 925 C (1600 bis 1700 F) mit Wasser abgeschreckt. Das Abschrecken bewirkt, dass das Glas für ein einfaches Herausnehmen der Anordnung aus dem Behälter bricht und es erhält weiterhin eine relativ hohe Abkühlgeschwindigkeit aufrecht, um die Substrateigenschaften zu erhalten.

Die endgültige Beseitigung von anhaftendem Glas wurde durch

709807/0730

eine Kombination von Sandblasen und Lösen des Glases im konzentrxertem HF durchgeführt. Für eine letzte Oberflächenverbesserung wurde Bandschleifen verwendet. Figur 1 zeigt die Struktur der Verbindungslinie von Auflage und Substrat nach dem Verbinden. Figur 2 zeigt das ^ussere der verbundenen Auflage und des Substrates.

709807/0736

Claims

Patentansprüche:

;'l. Verfahren zum Aufbringen einer Blechauflage auf ein strukturiertes Substrat ,dadurch gekennzeichnet , dass die Auflage mit dem Substrat derart zusammengesetzt wird, dass die Auflage eng mit dem Substrat übereinstimmt, die Säume zwischen der Auflage und dem Substrat maskiert werden,

die Anordnung aus der Auflage und dem Substrat in einen deformierbaren Behälter eingebracht wird, der Behälter mit einem druckübertragenden Medium gefüllt wird, so dass die Anordnung aus der Auflage und dem Substrat vollständig darin eingetaucht ist, der Behälter luftdicht abgedichtet wird, ein isostatischer Heissgasdruck auf die äusseren Oberflächen des Behälters für eine Diffusionsverbindung der Auflage und des Substrates ausgeübt wird und

die durch Diffusion verbundene Anordnung aus der Auflage und dem Substrat aus dem Behälter herausgenommen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1,dadurch gele ennz -eich net , dass die Auflage an das konvexe und konkave Oberflächen aufweisende Substrat grob vorgeformt wird, so dass der der konvexen Oberfläche des Substrates benachbarte Auflageabschnitt eng an der konvexen Oberfläche anliegt und der der konkaven Substratoberfläche benachbarte Abschnitt der Auflage von der konkaven Oberfläche beabstandet ist, die die Auflage und das Substrat umfassende Anordnung in einer abgedichteten Gummiform angeordnet wird, ein isostatischer Druck auf die Form ausgeübt wird, um die Auflage in einen Kontakt mit der

709807/0736

konkaven Substratoberfläche zu verformen, und das mit der Auflage zusammengesetzte Substrat aus der Form herausgenommen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 , dadurch gekennzeichnet , dass beim Maskieren die Säume der die -\uflage und das Substrat umfassenden Anordnung mit Band umwickelt werden, um den Einschluss von Fremdstoffen in der Grenzfläche zwischen der Auflage und dem Substrat zu verhindern,
4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3 , dadurch gekenn zeichnet, dass das druckübertragende Medium granuläre Teilchen enthält, die sich während des unter Hitze ausgeübten isostatischen Druckes verdichten und geschmolzen werden.
5. Verfahren nach Anspruch 1,2 oder 3 , dadurch gekennzeichnet , dass das druckübertragende Medium aus Glasstückchen gebildet wird.
6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter vor seinem Abdichten entgast wird.
7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, .dass zunächst Wärme ohne Druck zugeführt wird, bis das druckübertragende Medium weich wird, die Temperatur und der Druck graduell erhöht werden für eine Diffusionsverbindung der Auflage und des Substrates und die Temperatur schnell gesenkt wird, um eine Interdiffusion zwischen der Auflage und dem Substrat nach der Diffusionsverbindung zu begrenzen.

709807/0736
8. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche

1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung aus der Auflage und dem Substrat gereinigt und poliert wird, nachdem sie aus dem Behälter herausgenommen ist.

709807/0736