DE2707225A1 - Verfahren zum herstellen eines aluminiumueberzuges auf innenkanaelen in einem metallsubstrat - Google Patents

Verfahren zum herstellen eines aluminiumueberzuges auf innenkanaelen in einem metallsubstrat

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    • C23C16/045—Coating cavities or hollow spaces, e.g. interior of tubes; Infiltration of porous substrates

Description

Verfahren zum Herstellen eines Aluminiumüberzuges auf Innenkanälen in einem Metallsubstrat
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Aluminiumüberzuges auf Innenkanälen in einem Metallsubstrat, das aus einer Gruppe ausgewählt ist, die aus Eisen-, Chrom-, Kobalt- und Nickelbasislegierungen besteht.
Das Aluminierverfahren ist ein bekanntes Verfahren zum Verbessern der Korrosionsbeständigkeit von vielen Substraten, wie beispielsweise Chrom, Eisen, Nickel
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oder Kobalt als Hauptbestandteil enthaltenden Legierungen, und insbesondere zum Verbessern der Eigenschaften der Superlegierungen auf Nickel- und Kobaltbasis, die in einer Hochtemperaturumgebung, beispielsweise für Lauf- und Leitschaufeln von Gasturbinen,benutzt werden. In einem typischen Aluminierungsverfahren wird das zu aluminierende Teil in ein Einsatzpulver eingebettet, das Aluminium entweder als Metall oder legiert mit anderem Metall, wie beispielsweise Kobalt, sowie einen Träger, typischerweise ein Ammonium- oder Alkalimetallhalogenid, und einen inerten Füllstoff, wie beispielsweise Aluminiumoxid, enthält. Das Teil wird in dieses Einsatzpulver eingebettet und auf 650 °C -1205 0C erhitzt, um die Außenfläche des Teils mit Aluminium zu überziehen. Die Dicke des Überzuges hängt dabei von der Zeit und von der Behändlungstemperatur ab. In diesem Verfahren wirkt das Halogenid als ein Träger oder Aktivator, um die Übertragung des Aluminiums von der Aluminiumquelle auf das Teil zu erleichtern. Diese Arten des Pulverzementierens sind in folgenden US-Patentschriften beschrieben: 3 079 (Dampfdiffusionsüberzugsverfahren), 2 886 469 (Verfahren zum Überziehen metallischer Körper mit Aluminium unter Verwendung von dampfförmigen Sub.chloriden), 3 335 028 (komplexes Fluorsalzzementierungsverfahren zum Überziehen von feuerfesten metallischen Substraten), 3 694 255 (Verfahren zum Überziehen von wärmebeständigen Legierungen) und 3 764 373 (Diffusionsüberziehen von Metallen).
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Wenn Innenkanäle unter Anwendung des Pulverzementierungsverfahrens überzogen werden sollen, ergeben sich Schwierigkeiten wegen der Innenkanäle, die in vielen Fällen ziemlich klein sind, mit dem Zementierungspulvergemisch gefüllt werden müssen und nach der Behandlung von jeglichem restlichen Zementierungspulvergemisch wieder befreit werden müssen. Darüberhinaus wird das Abscheiden des Überzuges durch das Verhältnis von Zementierungspulver zu Flächeninhalt der zu überziehenden Fläche beeinflußt. Deshalb beeinflußt die innere Geometrie des Teils die Dicke des aufgebrachten Überzuges. Zum Überziehen von Innenkanälen sind deshalb Versuche gemacht worden, um ein Gasphasenabscheidung sverfahren zu verwenden, in welchem das Teil außerhalb des Pulvergemisches aufgehängt wird und ein gasförmiges, Aluminium enthaltendes Material durch das Teil hindurchgeleitet wird. Eine typische Lösung ist beispielsweise aus der US-PS 3 486 927 bekannt, die ein Verfahren zum Abscheiden eines Schutzüberzuges aus Aluminium auf Metallgegenständen beschreibt. Es sei angemerkt, daß diese Patentschrift sich nicht direkt mit dem überziehen von Innenoberflächen befaßt und daß es, als Versuche unternommen wurden, um das aus der US-PS 3 486 927 bekannte Verfahren auf das Überziehen von Innenkanälen anzuwenden, nicht möglich war, einen verwendbaren gleichmäßigen Innenüberzug von Aluminium zu erzielen.
Gemäß der Erfindung hat es sich gezeigt, daß die Ver-
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wendung von komplexen Aluminiumhalogeniden eines Alkalimetalls oder eines Erdalkalimetalls als Aktivator die "Abscheidungsieistung" eines Gasphasenabs eheidungsverfahrens für das Aluminieren von Innenoberflächen beträchtlich steigert und daß ein nutzbarer gleichmäßiger überzug erzielt wird. Außerdem wird der Einfluß , den die innere Geometrie des Teils auf die Überzugsdicke ausübt, stark verringert.
Demgemäß soll durch die Erfindung ein Aluminierungsverfahren geschaffen werden, das sich insbesondere zum überziehen von Innenkanälen eignet.
Weitere Vorteile und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung.
Gemäß der Erfindung ist festgestellt worden, daß Aluminium veranlaßt werden kann, sich auf Legierungsmetallsubstraten, die aus der Gruppe von Eisen-, Chrom-, Nickel- und Kobaltbasislegierungen ausgewählt sind, durch ein Gasphasenabscheidungsverfahren abzulagern, in welchem das Aluminium durch die Verwendung eines
.1
Trägers, der aus einem komplexen Aluminiurohalogenid eines Alkali- oder eines Erdalkalimetalls besteht, aus einem Pulvergemisch auf die Innenoberflächen des Substrats gebracht werden kann. Der Halogenidanteil dieses Komplexes kann jedes verfügbare Halogenid sein, wie beispielsweise Fluor, Chlor, Brom oder Jod. Weiter,
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da unter den Bedingungen des Behandlungsverfahrens der komplexe Aluminiumhalogeniddampf ein Gleichgewichtsgemisch eines Aluminiumhalogenids und eines Alkalimetall- oder Erdalkalimetallhalogenids ist, kann das komplexe Aluminiumhalogenid durch ein Gemisch eines Alkali- oder eines Erdalkalimetallhalogenids und eines Aluminiumhalogenids ersetzt werden. Statt mit in dem Gemisch enthaltenem komplexen Na.AlF, können beispielsweise ähnliche Ergebnisse durch Gemische von Natriumfluorid und Aluminiumfluorid erzielt werden. Wenn diese Lösung benutzt wird, liegt das Verhältnis von Alkalimetallhalogenid zu Aluminiumhalogenid vorzugsweise in dem Bereich von 1-4 zu 3-2. Wie die folgenden Beispiele zeigen werden, wird die "Abscheidungsleistung", d.h. die Fähigkeit des Aktivators, Material auf Innenflächen aufzubringen, beträchtlich gesteigert, wenn entweder das Gemisch oder das komplexe Aluminiumhalogenid benutzt wird, im Gegensatz zur Verwendung entweder des Aluminiumhalogenids oder des Alkali- oder Erdalkalihalogenids allein.
Das Uberzugsverfahren nach der Erfindung kann bei irgendeiner herkömmlichen Temperatur ausgeführt werden und wird vorzugsweise bei 982 0C bis 1205 0C ausgeführt.
Beispiel 1
Um die "Abscheidungsleistung" des Systems nach der
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Erfindung zu demonstrieren, ist eine Testkammer mit ungefähr 10 cm Länge, 10 cm Breite und 12,7 cm Höhe hergestellt worden, innerhalb welcher zwei Rohre von 5,0 cm χ 0,63 cm Inndendurchmesser (AMS 5582) aufgehängt wurden, eines in einer horizontalen Lage und eines in einer vertikalen Lage. Der Boden der Kammer wurde mit einem Pulvergemisch gefüllt, das eine Quelle für Aluminium enthielt, entweder Aluminiumpulver oder ein Kobalt-Aluminiumpulver, sowie den abzuschätzenden Aktivator und den Rest pulverförmiges Aluminiumoxid. Die Tests wurden bei 1093 0C für Zeitspannen von 4 bis 10 h ausgeführt. Die Ergebnisse dieser Tests sind in Tabelle I angegeben.
Tabelle I
Probe Al-Quelle
<Gew.-%)
Aktivator (Gew.-%)
Innenüberzugsdicke C<ura) V-vertikales Rohr H«horizontales Rohr Ende 1,3 cm Mitte
1 Aluminium -10% NH4Cl 5% 2 Aluminium -1OX NaCl 5%
3 Aluminium -10% Na-AlF, 5%
J ο
Co2Al5 -10% Na3AlF6 5%
(V) 43,1 25,4 0
(H) 43,1 0 0
(V) 33 20,3 0
(H) 35,5 10,15 0
(V) 83,8 48,2 43,1
(H) 50,8 43,1 43,1
(V) 73,6 63,5 55,8
(H) 68,5 63,5 45,7
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M)
Es 1st zu erkennen, daß der herkömmliche Halogenidaktivator nur In der Lage war, die Innenseite der Rohre an dem Ende zu überziehen, wohingegen ein Aktivator nach der Erfindung das Rohr auf seiner gesamten Innenlänge überzog.
Beispiel 2
Um die Anwendung des Verfahrens in der Weise von Beispiel 1 zu demonstrieren, wurde eine komplexe luftgekühlte Turbinenschaufel der ersten Stufe aus MAR-M-200 in der gerichtet erstarrten Form (9,0 Cr, 10,0 Co, 2,0 Ti, 5,0 Al, 0,15 C, 12,5 W, 1,0 Nb, 0,015 B, 0,05 Zr, Rest Ni) unter Verwendung der Zementierungspulverzusammensetzung der Probe 4 in Tabelle I überzogen. Die Schaufel wurde in einer horizontalen Lage oberhalb des Zementierungspulvers augehängt und bei 1093 C für eine Zeitspanne von 7 h wärmebehandelt. Die Ergebnisse sind in Tabelle II angegeben. Änderungen in der Überzugsdicke rühren von der Geometrie des Teils her.
Tabelle II Flügelprofllabschnitt Innenüberzugsdlcke Cup»)
90 X Spannweite 25,4 - 50,8
50 X Spannweite 22,8 - 45,7
10 X Spannweite 17,7 - 50,8
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Beispiel 3
Eine verbesserte Ausnutzung des Verfahrens zum überziehen von Innenkanälen von Gasturbinenschaufeln wurde erreicht, indem die Schaufeln in einer geeignet abgedichteten Kammer auf einem hohlen Rohr montiert wurden, das über eine Leitung an eine Kammer angeschlossen war, die das Pulvergemisch und Einrichtungen zum Einleiten eines Trägergases, wie beispielsweise Argon oder Wasserstoff, in den Raum oberhalb des Pulvers und unterhalb der Leitung enthielt. Durch diese Anordnung konnte das Innenüberziehen des Teils unter Verwendung einer Pulverzusammensetzung erreicht werden, während eine andere Pulverzusammensetzung, die sich in der oberen Kammer befand, benutzt werden konnte, um die Außenoberfläche der Schaufel zu überziehen. Die tatsächliche Dicke des Überzuges der Innenoberfläche der Schaufel änderte sich etwas aufgrund der Innengeometrie des Teils. Die Uberzugsabmessungen, die für verschiedene Aktivatoren und Teile erhalten wurden, sind in Tabelle III angegeben.
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Tabelle III
Schaufel
Turbinenschaufel der 1.Stufe
Turbinenschaufel der 1.Stufe
Turbinenschaufel der 1.Stufe
Turbinenschaufel der 1.Stufe
Turbinenschaufel der 1.Stufe
Turbinenschaufel der 2.Stufe
Al-Quelle Aktivator Innenüber- Temp. Zelt (Gew.-X) und Träger-zugsdicke (0C) (h) gas (mn)
101 Co2Al5
1OX Co2Al5
101 Co2Al5
101 Co2Al5
1OX Co2Al5
1OX
AiCl3 5X 0-20,3 1093 J
Wasserstoff
NaCl 5X 22,8-58,4 1093 5
Wasserstoff
NaCl 2,5X 40,6-63,5 1093 5
A1C132,5X
Wasserstoff
NaCl 2,5X 48,2-63,5 1093 5
A1C132,5X
Argon
NaCl 2,5X 40,6-63,5 1093 3
A1C132,5X
Argon
NaCl 2,5X 53,3-63,5 1093 3
A1C132,5X
Argon
Die obigen Beispiele zeigen, daß die Verwendung von Aktivatoren nach der Erfindung das "Abseheidungsvermögen" eines Pulvergemisches für das Gasphasenaluminieren von Innenkanälen in Metallsubstraten beträchtlich steigert. Die Aktivatoren nach der Erfindung erzeugen dickere und gleichmäßigere Aluminiumaufträge als die bekannten Aluminiumhalogenid-, Alkalimetallhalogenid- oder Ammoniumhalogenidaktivatoren.
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Claims (8)

PATENTANSPRÜCHE:
1. Verfahren zum Herstellen eines Aluminiumüberzuges auf Innenkanälen In einem Metallsubstrat, welches aus einer Gruppe ausgewählt 1st, die aus Eisen-, Chrom-, Kobalt- und Nickelbasislegierungen besteht, bei welchem:
a) ein Pulvergemisch, welches eine Quelle für Aluminium, einen Träger und einen inerten Füllstoff enthält, auf eine Temperatur aufgeheizt wird, die ausreicht, um die Bildung von Aluminium enthaltenden Gasen zu verursachen, und
b) die Gase durch dieJ Innenkanäle des Substrats hindurchgeleitet werden, während das Substrat auf einer Temperatur gehalten wird, die ausreicht, um eine Aluminiumdiffusion auf die Innenoberflächen des Substrats zu erzeugen,
dadurch gekennzeichnet, daß als Träger ein Material aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus komplexen
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ORIGINAL INSPECTED
Aluminiumhalogenide]! von Alkalimetallen und Erdalkalimetallen sowie Gemischen von Aluminiumhalogenid mit einem Material besteht, das aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus Erdalkalihalogeniden und Alkalimetallhalogenide!! besteht.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Aluminium enthaltenden Gase mit einem Gasstrom vermischt und durch die Innenkanäle hindurchgeleitet werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger aus einem Natrium-Aluminium-Halogenid besteht.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger 1 bis 50 Gew.-X des Pulvergemisches ausmacht.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Halogenid ein Fluorid ist.
6. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger aus einem Gemisch von Natrium-Halogenid und Aluminiumhalogenid in einem Gewichtsverhältnis von 1/4 - 3/2 besteht.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Gemisch aus Natriumhalogenid und Aluminiumhalogenid 1 bis 50 Gew.-% des Pulvergemisches ausmacht.
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8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Halogenid ein Chlorid ist.
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