DE3006103C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufbringen eines Blechüberzuges
auf ein Substrat gemäß Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Ein bedeutsames Problem bei fortgeschrittenen Gasturbinen
für industrielle, Flugzeug- und Marine-Anwendung ist die
Oberflächenstabilität der Turbinenkomponenten aus Superlegierungen.
Bei der Verbrennung schwerer Brennstoffe
werden stark korrosive Umgebungen erzeugt und wenn diese
mit hohen Temperaturen und langen Gebrauchszyklen kombiniert
sind, dann ergeben sich bei der Materialauswahl sehr
ausgeprägte Beschränkungen. Es ist zunehmend schwieriger
geworden, durch die Legierungsmodifikation des Grundmetalles
allein sowohl Dauerstand-Bruchfestigkeit
und gute Korrosionsbeständigkeit
zu erhalten. Es wurden daher verschiedene
Überzugssysteme entwickelt, um dem Substrat aus Superlegierung
Oberflächenschutz zu verleihen. Das Verbinden eines
gegenüber Oxidation und Korrosion in der Hitze beständigen
Blechüberzuges mit einer Turbinenschaufel oder -düse ist
eine Lösung des Problems der Oberflächenstabilität.
Kürzlich wurde ein beträchtlicher Fortschritt bei der
Entwicklung von Verfahren zum Diffusionsverbinden eines
Überzuges mit einem konvex/konkaven Substrat, wie einem
Flugzeugflügel oder einer Turbinenschaufel erzielt. So ist
z. B. in der US-PS 39 28 901 ein Verfahren beschrieben, bei
dem der Blechüberzug in der Kälte isostatisch gepreßt wird,
um eine dichte Haut auf dem Substrat zu bilden. In der
US-PS 39 04 101 ist ein Überzugsverfahren offenbart, bei
dem man den Raum zwischen dem Überzug und dem Substrat evakuiert,
alle Nähte vakuumlötet und danach Überzug und Substrat
in einem Autoklaven unter Anwendung eines gasförmigen
Mediums mit erhöhter Temperatur und Druck diffusionsverbindet.
In der US-PS 39 52 939 ist ein Verfahren beschrieben,
bei dem alle Nähte einer Baueinheit aus Blechüberzug
und Substrat maskiert werden und man dann die Baueinheit
mit Glasteilchen umgibt und dann in der Wärme eine Diffusionsverbindung
ausführt, wobei man das Glas schmilzt und
einen Zustand isostatischer Spannung sicherstellt. Die bisher
angewendeten Verfahren zum Aufbringen von solchen
Blechüberzügen auf konvex/konkaven Substraten wiesen jeweils
nur eine einzige Überzugsschicht auf.
Ein alternatives Verfahren zum Schützen von Gegenständen aus
Superlegierung vor Oxidation und Korrosion bei hoher Temperatur
bestand in der Anwendung von Überzugstechniken. In der
Literatur sind verschiedene Überzüge für Superlegierungen
beschrieben worden und vom besonderen Interesse sind Überzugszusammensetzungen,
die im wesentlichen aus Chrom,
Aluminium und einem Bestandteil aus der Gruppe von Yttrium
und den seltenen Erden und einem Metall aus der Gruppe Eisen,
Kobalt und Nickel bestehen. Diese Überzüge sind als MCrAlY-
Überzüge bezeichnet worden.
Weitere Überzugsverbesserungen hat man durch Anwenden mehrfacher
Überzugsschichten erzielt. So wird in der US-PS
38 73 347 ein Überziehen eines Körpers aus einer Superlegierung
mittels eines McrAlY-Überzuges durch Vakuumbedampfen
und anschließendes Bilden einer aluminierten Deckschicht
durch Packungszementieren beschrieben. In der US-PS 38 74 901
ist ein ähnliches Verfahren offenbart, mit der Ausnahme, daß
die Aluminium-Deckschicht durch Abscheidung aus der Dampfphase
gebildet wird. In der US-PS 36 49 225 ist die Anwendung
eines Verbundüberzuges beschrieben, bei dem eine chromreiche
oder aus Chrom bestehende innere Schicht sich auf dem
Substrat aus Superlegierung befindet und eine äußere MCrAlY-
Schicht trägt. Die US-PS 40 05 989 beschreibt das Überziehen
eines Substrates aus Superlegierung mit einer inneren
Aluminid-Schicht und das nachfolgende Aufbringen eines
Decküberzuges aus MCrAlY.
Der vorliegenden Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, das eingangs
genannte Verfahren dahingehend weiterzubilden, daß damit Doppelblechüberzüge
in einer einzigen Stufe aufgebracht werden können und dabei eine Vielzahl
von Stufen beim Verbinden zu beseitigen, wie sie beiden
Verfahren nach dem Stande der Technik angewendet werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den kennzeichnenden Teil des
Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen
sind Gegenstand der Unteransprüche.
In der Zeichnung ist dargestellt in
Fig. 1 eine graphische Darstellung mit den typischen
Druck-Temperatur-Zeit-Kurven für eine vorteilhafte Ausführungsform des Diffusionsverbindens
und
Fig. 2 eine graphische Darstellung der verbesserten
Korrosionsbeständigkeit aufgrund des Überziehens
mit dem Doppelblechüberzug gemäß der vorliegenden
Erfindung, verglichen mit einer Bezugsprobe,
die nur einen einzigen Überzug aus MCrAlY
aufweist.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird isostatischer
Druck in der Wärme in Kombination mit geschmolzenem Glas
als Druckübertragungsmedium benutzt, um die erwünschte
Komponente herzustellen. Zuerst wird die Oberfläche des
Substrats aus Superlegierung vorbereitet, z. B. durch
Abstrahlen mit Glasperlen, chemisches Ätzen und gegebenenfalls
Nickelplattieren, gefolgt von einer geeigneten, im
Vakuum ausgeführten Diffusionswärmebehandlung. Dann legt
man den inneren Blechüberzug oder die Folie aus Aluminium
über das Substrat. Diese Folie hat üblicherweise eine Dicke
von etwa 0,012 bis etwa 0,075 mm.
Danach formt man den äußeren Blechüberzug aus MCrAlY auf
einem Dorn oder einem, Musterkörper zu der Gestalt des
Substrates, wie z. B. in der US-PS 39 28 901 beschrieben.
Dabei erfolgt zuerst ein grobes Formen des Blechüberzuges
mit Hilfe des Musterkörpers, so daß der Blechüberzug eng
an der konvexen Oberfläche des Musterkörpers anliegt,
während der Blechüberzug gegenüber der konkaven Oberfläche
des Musterkörpers noch einen Abstand hat. Dann ordnet man
Blechüberzug und Musterkörper in einer abgedichteten Gummiform
an und wendet isostatischen Druck auf die Form an,
um den Blechüberzug in Berührung mit der konkaven Oberfläche
des Musterkörpers zu bringen.
Die chemische Zusammensetzung des äußeren Blechüberzuges
wird in der vorliegenden Anmeldung mit "MCrAlY" bezeichnet,
worin M für Eisen, Kobalt oder Nickel steht. Dieser Überzug
ist als im wesentlichen aus folgenden Bestandteilen in
Gew.-% bestehend definiert:
Beispiele für solche Überzüge sind die als FeCrAlY, CoCrAlY,
NiCrAlY, FeCrY, NiCr und CoCrAlYTa bezeichneten Zusammensetzungen.
Die Dicke des äußeren Blechüberzuges kann im
Bereich von etwa 0,125 bis etwa 0,75 mm liegen, wobei die
bevorzugte Dicke etwa 0,25 mm beträgt.
Der äußere Blechüberzug wird so um das bereits mit dem
inneren Blechüberzug aus Aluminium versehene Substrat gelegt,
daß dieser innere Aluminiumüberzug vollkommen umhüllt
und abgedichtet ist. Dann maskiert man alle Nähte,
die sich zwischen dem äußeren Blechüberzug und dem Substrat
befinden, um ein Eindringen des druckübertragenden Mediums
in die Grenzfläche zwischen äußerem Überzug und Substrat
zu verhindern. Dieses Maskieren kann ausgeführt werden,
indem man die Nähte umwickelt oder durch Heftschweißen des
äußeren Blechüberzuges entlang der Nähte an das Substrat.
Es ist lediglich erforderlich, daß Vorsorge getroffen wird,
das Druckübertragungsmedium, sei es fest oder geschmolzen,
am Eintreten in den Zwischenraum zwischen äußerem Überzug
und Substrat zu hindern und ferner zu verhindern, daß
der flüssig gewordene innere Aluminiumüberzug austreten
kann.
Die maskierte Baueinheit wird dann in einen deformierbaren
Metallbehälter (kohlenstoffarmer Stahl) eingeführt, der
unter dem beim Diffusionsverbinden angewendeten Druck zusammenfällt.
Das Volumen des deformierbaren Behälters ist derart,
daß das mit den Überzügen versehene Substrat vollkommen
in einem körnchenförmigen verdichtenden Druckübertragungsmedium
eingehüllt werden kann, wobei um die Kanten
des Substrates herum ausreichend Abstände vorhanden sind,
so daß beim Diffusionsverbinden mittels heißem isostatischen
Pressen keine der Kanten den zusammengedrückten Behälter
durchstößt. Glasperlen oder Chips aus z. B. üblichem
Sodakalkglas sind als Druckübertragungsmedium bevorzugt,
weil sich das Glas verdichtet und schmilzt bei den
beim Diffusionsverbinden angewendeten Temperaturen und ein
optimales hydrostatisches Druckübertragungsmedium ergibt.
Darüber hinaus ist Glas relativ inert, leicht zu entgasen,
und es kann nach dem Diffusionsverbinden leicht von der
Oberfläche der Baueinheit entfernt werden.
Nachdem der deformierbare Behälter sowohl mit dem maskierten,
mit den Blechüberzügen versehenen Substrat und dem
Druckübertragungsmedium gefüllt ist, wird der Behälter
abgedichtet, nachdem er entgast worden ist. Dies erfolgt
durch Evakuieren der gesamten Baueinheit gefolgt von
einem durch Schmiedeverschweißen ausgeführten Abdichten
mit Hilfe des Vakuumsystems.
Dann setzt man den abgedichteten Behälter in einen heißen
Autoklaven (heiße isostatische Presse), um bei geeigneten
Temperaturen und Drucken das Diffusionsverbinden auszuführen.
Hierzu zeigt z. B. die Fig. 1 eine Zeit-Temperatur-
Druck-Kurve für einen typischen Zyklus zum Verbinden.
Während des Diffusionsverbindens wird die Temperatur, wie
in der Kurve der Fig. 1 dargestellt, anfänglich unterhalb
des Schmelzpunktes des Aluminiums, d. h. unterhalb von
660°C, gehalten, während man den angewendeten Druck auf
etwa 350 bar erhöht. Dieser erhöhte Druck sorgt für
einen innigen Kontakt des inneren Aluminiumüberzuges mit
dem Substrat und dem äußeren Schutzüberzug. Beim Erhöhen
der Temperatur auf einen Maximalwert von etwa 1200°C
werden die Glasperlen flüssig bzw. viskos und die folgende
Volumenänderung verursacht ein partielles Zusammenfallen
des deformierbaren Behälters um die Baueinheit aus Blechüberzügen
und Substrat herum, und dies stellt einen Zustand
isostatischer Spannung sicher, der um die Baueinheit herum
existiert. Während dieser Zeit verflüssigt sich der innere
Aluminiumüberzug und reagiert im flüssigen Zustand mit dem
Substrat und der Legierung des äußeren Überzuges unter
Bildung des entsprechenden Aluminids und erstarrt. Es ist
besonders wichtig, daß das flüssige Aluminium durch den
unter Druck stehenden äußeren Überzug eingegrenzt wird, bis
es vollkommen reagiert hat. Allgemein werden die während des
Diffusionsverbindens benutzten Temperaturen und Drucke zu
einem gewissen Grade variieren und von den zu verbindenden
Materialien abhängen.
Nach dem Diffusionsverbinden wird die Baueinheit aus Überzügen
und Substrat aus dem deformierbaren Behälter und dem
Glas herausgenommen, welch letzteres an den Oberflächen der
verbundenen Baueinheit haftet und z. B. durch Sandstrahlen
oder nachfolgendes Erhitzen im Vakuum und Abschrecken der
Baueinheit in Wasser entfernt wird. Danach kann man die
verbundene Baueinheit einer abschließenden Wärmebehandlung
unterwerfen, wenn dies erforderlich ist.
Einzelne Probekörper aus Superlegierung auf Nickelbasis
(IN 738) wurden zuerst mit einer Aluminiumfolie von 0,0175
oder 0,075 mm Dicke bedeckt und diese dann sandwichartig
zwischen 0,25 mm dicke Bleche aus folgenden äußeren Überzugslegierungen
gelegt (in Gew.-%): Fe-25Cr-1Y, Fe-25Cr-
0,1Y, Ni-50Cr und Co-25Cr-5 Al-1Y-3Ta. Die schichtartig
angeordneten Probekörper, von denen die äußeren Überzugslegierungen
durch Punktschweißen mit dem Substrat verbunden
waren, um die Aluminiumfolie einzukapseln, wurden in Behälter
aus kohlstoffarmen Stahl eingeführt, der mit Perlen
aus Sodakalkglas gefüllt wurde. Man entgaste den Behälter
durch ein Evakuierungsrohr für 16 Stunden bei 315°C und
und unter einem Vakuum von 0,67 bis 1,33 Pa und dichtete ihn
dann durch Schmiedeverschweißen des Rohres ab. Der abgedichtete
Behälter wurde dann in einen auf etwa 500°C vorerhitzten
Autoklaven eingesetzt, und der Autoklav mit Argon
unter einen Druck von 350 bar gesetzt. Nach einer Haltezeit
von etwa 15 Minuten erhöhte man die Temperatur des
Autoklaven auf etwa 1090°C und hielt Druck und Temperatur
etwa 1 Stunde lang gemäß dem in Fig. 1 angegebenen schematischen
Diagramm aufrecht. Dann senkte man Temperatur und
Druck, nahm den Behälter aus dem Autoklaven, die Probekörper
aus dem Behälter und untersuchte sie metallographisch.
In allen Fällen hatte die Behandlung zur Ausbildung
einer Nickel-Aluminidschicht zwischen dem äußeren Überzug
und dem Substrat geführt, wobei all die genannten Schichten
metallurgisch verbunden waren.
Der Versuch wurde wiederholt, wobei man die einzelnen
Substratscheiben aus Superlegierung auf Nickelbasis vor
dem Zusammenbauen durch Abstrahlen mit Glasperlen und
Dampfentfetten vorbehandelte. Die zu verbindende Oberfläche
der äußeren Überzugslegierung Fe-25Cr-4Al-1Y wurde
ebenfalls vorbehandelt durch Polieren mit Schmirgelpapier
mit Teilchen von etwa 0,037 mm Durchmesser und anschließend
dampfentfettet. Eine innere Schicht aus etwa 0,0175 mm
dicker Aluminiumfolie wurde durch Punktschweißen mit dem
Substrat verbunden, und die äußere Überzugsschicht wurde
punktgeschweißt, um diese Sandwichstruktur einzuschließen.
Dann ordnete man die Probekörper in einem Behälter aus
kohlenstoffarmem Stahl an, der in einem Heliummassenspectrometer
auf Lecks geprüft worden war, entgaste ihn 16 Stunden
lang bei etwa 315°C unter einem Vakuum von 0,67 bis 1,33 Pa und
dichtete ihn durch Hammerschweißen ab. Dann wurde ein identischer
isostatischer Preßzyklus in der Hitze im Autoklaven
ausgeführt, und die Probekörper metallographisch untersucht.
Auch hier hatte sich eine Nickel-Aluminiumschicht
gebildet, und es war ein inniges Verbinden zwischen den
Schichten eingetreten.
Dann unterwarf man die Probekörper einem Korrosionstest in
einem kleinen Brenner, der bei etwa 980°C arbeitete und bei
dem die Verbrennungsprodukte von Dieselöl 1% Schwefel enthielten
und mit künstlichem Seesalz zur Erzeugung von
8 ppm Na in der Atmosphäre dotiert waren. Es wurden dieser
Umgebung auch Bezugskörper ausgesetzt, die zwar einen
durch Diffusionsverbinden aufgebrachten Überzug aus
Fe-25Cr-4Al-1Y aufwiesen, nicht aber die innere Nickel-
Aluminidschicht. Die Probekörper wurden als Funktion der
Zeit periodisch entfernt und Querschnitte davon wurden
metallographisch untersucht. Die bei 100%iger Vergrößerung
erhaltenen Werte der maximalen Korrosionspenetration in
dem äußeren Fe-25Cr-4Al-1Y-Überzug wurden in Fig. 2 als
Funktion der Zeit in Stunden aufgetragen. Die Ergebnisse
zeigen, daß die Anwesenheit einer inneren Nickel-Aluminidschicht
bei den Probekörpern, die gemäß der vorliegenden
Erfindung mit einer Aluminiumfolie hergestellt wurden, eine
sehr viel geringere Korrosionspenetration nach einer gewissen
Zeit in der obigen Atmosphäre ergibt. Die Zunahme
der Korrosionspenetration mit der Zeit geschieht außerdem
mit einer geringeren Geschwindigkeit als bei den Bezugsprobekörpern
ohne eine solche innere Nickel-Aluminidschicht.
Für einen etwa 0,25 mm dicken äußeren Überzug
erhöht sich die Lebensdauer dieses äußeren Überzuges bei
Anwesenheit der inneren Nickel-Aluminidschicht auf 5500 Stunden
verglichen mit einer Lebensdauer von etwa 3000 Stunden
ohne eine solche innere Nickel-Aluminidschicht.
Claims (9)
1. Verfahren zum Aufbringen eines Blechüberzuges auf ein Substrat
mit den folgenden Stufen:
- a) Anbringen des Blechüberzuges an dem Substrat, so daß sich der Überzug dem Substrat genau anpaßt,
- b) Maskieren der Nähte zwischen Überzug und Substrat
- c) Anordnen des mit dem Blechüberzug versehenen Substrates in einem deformierbaren Behälter,
- d) Füllen des Behälters mit einem Glasmedium zum Übertragen des Druckes, so daß das von dem Blechüberzug bedeckte Substrat vollkommen damit umgeben ist,
- e) luftdichtes Abdichten des Behälters und
- f) Diffusionsverbinden des Blechüberzuges mit dem Substrat mittels eines in der Wärme ausgeführten isostatischen Pressens,
dadurch gekennzeichnet, daß
das Anbringen des Blechüberzuges
das Anbringen eines inneren Aluminiumblechüberzuges an dem Substrat, so daß sich der Überzug dem Substrat genau anpaßt und
das Anbringen eines äußeren Blechüberzuges aus MCrAlY an dem Substrat umfaßt, das bereits den inneren Aluminiumblechüberzug trägt, so daß der äußere Blechüberzug, der korrosionsbeständig ist, den inneren Blechüberzug vollkommen einhüllt und abdichtet und
das in der Wärme ausgeführte isostatische Pressen einen Zyklus umfaßt, bei dem die Temperatur anfänglich unterhalb des Schmelzpunktes des Aluminiums gehalten wird, man den Druck erhöht, um einen innigen Kontakt des inneren Blechüberzuges mit dem Substrat und dem äußeren Blechüberzug zu erreichen und daß man dann die Temperatur bis zu einem Maximum von etwa 1200°C erhöht, während man den Druck aufrechterhält, bis sich das Aluminium unter Bildung des entsprechenden Aluminids durch Reaktion mit dem Substrat und dem äußeren Legierungsüberzug völlig umgesetzt hat und erstarrt ist.
das Anbringen des Blechüberzuges
das Anbringen eines inneren Aluminiumblechüberzuges an dem Substrat, so daß sich der Überzug dem Substrat genau anpaßt und
das Anbringen eines äußeren Blechüberzuges aus MCrAlY an dem Substrat umfaßt, das bereits den inneren Aluminiumblechüberzug trägt, so daß der äußere Blechüberzug, der korrosionsbeständig ist, den inneren Blechüberzug vollkommen einhüllt und abdichtet und
das in der Wärme ausgeführte isostatische Pressen einen Zyklus umfaßt, bei dem die Temperatur anfänglich unterhalb des Schmelzpunktes des Aluminiums gehalten wird, man den Druck erhöht, um einen innigen Kontakt des inneren Blechüberzuges mit dem Substrat und dem äußeren Blechüberzug zu erreichen und daß man dann die Temperatur bis zu einem Maximum von etwa 1200°C erhöht, während man den Druck aufrechterhält, bis sich das Aluminium unter Bildung des entsprechenden Aluminids durch Reaktion mit dem Substrat und dem äußeren Legierungsüberzug völlig umgesetzt hat und erstarrt ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß eine Superlegierung als
Substrat eingesetzt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, daß als
Superlegierung eine Legierung auf Nickelgrundlage verwendet
wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, daß als
Substrat eine konkav/konvexe Konfiguration verwendet wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, daß als
Substrat eine Turbinenschaufel verwendet wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß ein
innerer Blechüberzug einer Dicke von 0,012 bis
0,075 mm und ein äußerer Blechüberzug einer Dicke von
0,125 bis 0,75 mm aufgebracht wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, daß die Zusammensetzung Fe-25Cr-4Al-1Y als
äußerer Blechüberzug aufgebracht
wird.
8. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß das
isostatische Pressen in der Wärme gemäß den Bedingungen
der Temperatur, des Druckes und der Zeit nach folgendem Diagramm
geführt wird:
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