DE3329907C2

DE3329907C2 - Verfahren zur Bildung einer Schutzdiffusionsschicht auf Teilen aus einer Nickel-, Kobalt- und Eisenlegierung

Info

Publication number: DE3329907C2
Application number: DE3329907A
Authority: DE
Inventors: G. William North Haven Conn. Goward; Srinivasan Branford Conn. Shankar
Original assignee: Turbine Components Corp., Branford, Conn.
Priority date: 1982-11-19
Filing date: 1983-08-18
Publication date: 1990-10-04
Anticipated expiration: 2003-08-19
Also published as: JPH0336900B2; IT8349218A1; AU563044B2; BE898220A; NL190645B; ES8504966A1; US4526814A; CA1236351A; AU2150283A; SE8305244D0; NL190645C; FR2536424B1; MX160008A; GB2130249B; ZA835916B; ES526782A0; IT8349218A0; FR2536424A1; IT1170539B; IL69832A0

Abstract

Es wird ein Verfahren beschrieben, um Schutzdiffusionsüberzüge auf Nickel-, Kobalt- und Eisenlegierungen auszubilden, indem man eine Diffusionsschicht aus Platin, Chrom und Aluminium auf der Oberfläche ausbildet, indem man entweder Platin abscheidet und in der Gasphase chromisiert und anschließend aluminisiert, oder indem man in der Gasphase chromisiert und Platin abscheidet und anschließend aluminisiert, oder indem man in der Gasphase chromisiert und anschließend aluminisiert und Platin abscheidet, wobei die Gasphasenchromisierung außerhalb von Kontakt mit einer Quelle für gasförmiges Chromisierungsmaterial bei erhöhter Temperatur erfolgt und wobei die Aluminisierung entweder außer Kontakt oder im Kontakt mit einem Pulvergemisch bei erhöhter Temperatur erfolgt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bildung einer Schutzdiffusionsschicht auf Teilen aus einer Nickel-, Kobalt- und Eisenlegierung durch Aufbringen eines kombinierten Diffusionsüberzugs aus Chrom, einem Metall der Platingruppe und Aluminium.

Es ist seit langem bekannt, eine Diffusionsschicht von Aluminium auf Teile aus einer Nickel-, Kobalt- und Eisenlegierung durch Packzementierungsprozesse aufzubringen. Dabei geht man so vor, daß man solche Teile in ein Bett aus einem Pulvergemisch einpackt, welches aus einer Quelle für Aluminium und einem inerten Füllstoffmaterial besteht und das man auf erhöhte Temperatur (760 bis 1093°C) mehrere Stunden lang erhitzt, um das Aluminium in die Oberflächen der zu behandelnden Legierungsteile eindiffundieren zu lassen.

Die Schutzbeschichtung von Teilen aus Superlegierungen mit einer Pt-Schicht und einer AlCr-Legierungsschicht ist bereits aus der DE-AS 15 21 180, der DE-AS 19 55 203, der US- PS 40 41 196 und der US-PS 39 58 047 bekannt.

Es ist auch schon vorgeschlagen worden, die Oxidations- und Korrosionsbeständigkeit solcher Gegenstände in der Weise zu verbessern, daß man zuerst das Teil aus der Legierung mit einem Metall der Platingruppe durch Elektroabscheidung oder andere Maßnahmen beschichtet und sodann das mit Platin plattierte Teil durch Packzementierung aluminiert. Ein solches Verfahren wird beispielsweise in der US-PS 36 77 789 beschrieben.

In der US-PS 41 48 275 wird weiterhin vorgeschlagen, hohle Rohre oder dergleichen in der Weise durch Diffusion zu aluminieren, daß man die Hohlteile mit einem Verteiler verbindet und ein Trägergas über ein erhitztes Bett aus einem Gemisch aus einer Quelle für Aluminium und einem inerten Füllstoff in die hohlen Teile überleitet und hineinpreßt, damit ein Teil des verflüchtigten Aluminiums in die Kanäle hineingetragen wird.

Solche Schutzdiffusionsschichten sind insbesondere für Komponenten von Gasturbinenmotoren und dergleichen vorteilhaft, die hohen Temperaturen und oxidierenden und heißen korrodierenden Umgebungen ausgesetzt sind.

Viele solche Teile haben eine relativ komplexe Gestalt mit inneren Kanälen bzw. Hohlräumen und dergleichen, die mit der bei der Packzementierung verwendeten Aluminiumquelle und dem inerten Material nicht in Kontakt kommen und die mit dem Pulvergemisch während des Packzementierungsprozesses nicht nur überzogen werden, sondern sogar zugesetzt oder verstopft werden können. Sie müssen daher gereinigt werden. Solche Teile können auch Bereiche haben, die weniger korrodierenden Umgebungen ausgesetzt sind und die daher einen geringeren Schutzüberzug benötigen als andere Bereiche.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die bei der Aluminierung von Teilen mit komplexer Gestalt, zum Beispiel Hohlräumen, auftretenden Probleme zu überwinden und zu gewährleisten, daß nur diejenigen Teile, die ein Beschichten benötigen, mit einem Überzug versehen werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Verfahren der eingangs erwähnten Art dadurch gelöst, daß man das Chromieren in der Gasphase und in der Weise durchführt, daß man das Teil bei erhöhter Temperatur oberhalb und im Abstand von einem Gemisch hält, welches aus einer Quelle für Chrom, einem Aktivator und einem inerten Füllstoff besteht.

Erfindungsgemäß geht man so vor, daß man einen Überzug aus einem Metall der Platingruppe auf diejenigen Oberflächen aufbringt, die den extremsten Hitze-, Oxidations- und Heißkorrosionsbedingungen ausgesetzt sind. Die Platinoberfläche und das Teil werden sodann außer Kontakt mit einem Gemisch aus Chrom, einem Aktivator und einem inerten Füllstoff in der Gasphase chromiert, und hierauf wird das Teil außer Kontakt mit einem Gemisch aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, einem Aktivator und einem inerten Füllstoff bei erhöhter Temperatur in der Gasphase aluminiert oder einer Packaluminierungsbehandlung in einem Gemisch aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, einem Aktivator und einem inerten Füllstoff bei erhöhter Temperatur unterworfen. Als Metall der Platingruppe wird vorzugsweise Platin verwendet. Das beschichtete Teil kann sodann bei erhöhten Temperaturen von 816°C bis 1093°C über einen Zeitraum von bis zu zehn Stunden im Vakuum oder einer inerten Atmosphäre wärmebehandelt werden, bevor es der in der Gasphase erfolgenden Chromierung unterworfen wird. Diese Wärmebehandlung erfolgt vorzugsweise über einen Zeitraum von 1 bis 5 Stunden, kann jedoch auch weggelassen werden. Die in der Gasphase erfolgende Chromierung wird vorzugsweise bei einer Temperatur von 649°C bis 1149°C und über einen Zeitraum von 1 bis 20 Stunden durchgeführt. Die in der Gasphase erfolgende Aluminierung oder die Packaluminierung wird gleichfalls vorzugsweise bei einer Temperatur im Bereich von 649°C bis 1149°C und über einen Zeitraum von 1 bis 20 Stunden, je nach der gewünschten Tiefe der Diffusionsschicht, durchgeführt. Vorzugsweise erfolgt die Beschichtung des Teils mit dem Platin durch elektrolytische Abscheidung, wobei die Dicke des Platinüberzugs 2,54 µm bis 17,8 µm beträgt. Die in der Gasphase erfolgende Chromierung wird vorzugsweise oberhalb eines Gemisches aus 1 bis 30% einer Chromquelle, bis zu etwa 40% Aktivator ( gewöhnlich einem Halogenid) und zum Rest einem inerten Füllstoff, wie Aluminiumoxid, durchgeführt. Vorzugsweise erfolgt die Gasphasenaluminierung oder die Packaluminierung oberhalb eines Gemisches bzw. in einem Gemisch aus 1 bis 35% einer Aluminiumquelle, bis zu 40% Aktivator ( gewöhnlich einem Halogenid) und zum Rest Füllstoff. Vorzugsweise ist die gesamte kombinierte Diffusionsschicht aus Platin, Chrom und Aluminium etwa 12,7 µm bis 101,6 µm dick.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen nähher erläutert; es zeigt

Fig. 1 ein Fließschema einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens;

Fig. 2 eine Mikrophotographie eines Diffusionsüberzugs aus Platin, Chrom und Aluminium, hergestellt nach dem Verfahren gemäß Fig. 1;

Fig. 3 ein Fließschema einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens;

Fig. 4 eine Mikrophotographie eines Diffusionsüberzugs aus Chrom, Platin und Aluminium, hergestellt nach dem Verfahren gemäß Fig. 3;

Fig. 5 ein Fließschema einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens; und

Fig. 6 eine Mikrophotographie eines Diffusionsüberzugs aus Chrom, Aluminium und Platin, hergestellt nach dem Verfahren gemäß Fig. 5.

Das Fließschema der Fig. 1 illustriert eine Ausführungsform des bevorzugten Verfahrens, nämlich die Inspizierung, die Vorbereitung (Entfetten, Blasen, Spülen), die Maskierung der Bereiche, die nicht beschichtet werden sollen, die Beschichtung mit Platin, die gegebenenfalls erfolgende Wärmebehandlung, um das Platin diffundieren zu lassen, die Maskierung der Bereiche, die nicht beschichtet werden sollen, die in der Gasphase erfolgende Chromierung und die anschließend erfolgende Aluminierung.

Die Erfindung wird anhand der folgenden Beispiele näher erläutert.

Beispiel 1

Eine Turbinenschaufel mit Kühlkanälen bzw. -passagen wurde inspiziert, entfettet, mit dem Gebläse gereinigt und auf den kritischen Oberflächen mit Platin zu einer Dicke von 7,62 µm elektrolytisch beschichtet. Die beschichtete Turbinenschaufel wurde sodann bei etwa 1038°C drei Stunden lang in einer Argonatmosphäre wärmebehandelt, um das Platin in die Oberflächen hineindiffundieren zu lassen. Die Schaufel wurde sodann oberhalb einer Quelle für ein gasförmiges Chromierungsmaterial, die auf etwa 1066°C erhitzt worden war, und außer Kontakt mit derselben angeordnet und acht Stunden lang gehalten. In diesem Falle war die Quelle für die Chromierung ein Gemisch aus etwa 20% Chrom, etwa 2% Halogenidaktivator und zum Rest Aluminiumoxid. Die Schaufel wurde hierauf in ein Gemisch eingetaucht, das eine Quelle für Aluminium, einen Aktivator und einen inerten Füllstoff enthielt, und es wurde darin fünf Stunden lang auf etwa 760°C erhitzt. Das Pulvergemisch bestand in diesem Falle aus 15% einer Aluminium enthaltenden Legierung, 2% Halogenidaktivator und zum Rest Aluminiumoxid. Der Schnitt der Endoberfläche ist in Fig. 2 gezeigt.
Die gemäß dieser Ausführungsform der Erfindung behandelten Teile sind gegenüber einer Heißkorrosion erheblich beständiger als ähnliche Teile, die durch eine Packzementierung gemäß den US-PS 36 77 789 und 41 48 275 aluminiert worden sind.
Es wurde festgestellt, daß eine ähnliche gewünschte Mikrostruktur und Umgebungsbeständigkeit auch in der Weise erhalten werden kann, daß man zuerst die Gasphasenchromierung durchführt und anschließend die Stufen der Aufbringung des Platins und der Aluminierung vornimmt.
Die Fig. 3 ist ein Fließschema einer bevorzugten Version der zweiten Ausführungsform, während die Fig. 4 eine Mikrophotographie eines Diffusionsüberzugs aus Chrom, Platin und Aluminium, hergestellt nach dem Verfahren gemäß Fig. 3, darstellt.
Das Fließdiagramm der Fig. 3 zeigt einen weiteren Prozeß gemäß der Erfindung, nämlich die Inspizierung, die Vorbereitung (Entfetten, Blasen, Sprühen), die Gasphasenchromierung, die Maskierung von Bereichen, die nicht beschichtet werden sollen, die Beschichtung mit Platin, die gegebenenfalls erfolgende Wärmebehandlung, um das Platin hineindiffundieren zu lassen, die Maskierung von Bereichen, die nicht beschichtet werden sollen, und die Aluminierung.

Beispiel 2

Eine Turbinenschaufel mit Kühlpassagen bzw. -durchgängen wurde inspiziert, entfettet, mit dem Gebläse gereinigt und in der Gasphase chromiert. Dann wurde die Turbinenschaufel oberhalb einer Quelle für ein gasförmiges Chromierungsmaterial, die auf etwa 1066°C erhitzt worden war, und außer Kontakt mit derselben acht Stunden lang beschichtet. In diesem Fall war die Quelle für das Chromierungsmaterial ein Gemisch aus etw 20% Chrom, etwa 2% Halogenidaktivator und zum Rest Aluminiumoxid. Hierauf wurde die chromierte Turbinenschaufel mit Platin auf den kritischen Oberflächen zu einer Dicke von 7,62 µm elektrolytisch beschichtet. Sodann wurde die Schaufel in ein Gemisch eingetaucht, das eine Aluminiumquelle, einen Aktivator und einen inerten Füllstoff enthielt, und fünf Stunden auf etwa 760°C erhitzt. Das Pulvergemisch bestand in diesem Falle aus 15% einer Aluminium enthaltenden Legierung, 2% Halogenidaktivator und zum Rest Aluminiumoxid. Der Schnitt der Endoberfläche ist in Fig. 4 dargestellt.
Die nach dieser Version des erfindungsgemäßen Verfahrens behandelten Teile sind gegenüber einer Heißkorrosion erheblich beständiger als ähnliche Teile, die durch Packzementierung gemäß den US-PS 36 77 789 und 41 48 275 aluminiert worden sind.
Die Fig. 5 zeigt eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, nämlich die Inspizierung, Vorbereitung (Entfetten, Blasen, Sprühen), die in der Gasphase erfolgende Chromierung, die Maskierung von Bereichen, die nicht beschichtet werden sollen, die Aluminierung, die Maskierung von Bereichen, die nicht beschichtet werden sollen, und die Beschichtung mit Platin. Die Fig. 6 ist eine Mikrophotographie eines Diffusionsüberzugs aus Chrom, Aluminium und Platin, hergestellt nach dem Verfahren gemäß Fig. 5.

Beispiel 3

Eine Turbinenschaufel mit Kühlpassagen bzw. -durchgängen wurde inspiziert, entfettet, mit dem Gebläse gereinigt und in der Gasphase chromiert. Dabei wurde die Turbinenschaufel oberhalb einer auf etwa 1066°C erhitzten Quelle für ein gasförmiges Chromierungsmaterial und außer Kontakt mit derselben acht Stunden lang beschichtet. Die Quelle für das Chromierungsmaterial bestand in diesem Fall aus einem Gemisch aus etwa 20% Chrom, etwa 2% Halogenidaktivator und zum Rest Aluminiumoxid. Sodann wurde die chromierte Turbinenschaufel aluminiert, indem sie in ein Gemisch, enthaltend eine Aluminiumquelle, einen Aktivator und einen inerten Füllstoff, das auf etwa 760°C erhitzt worden war, fünf Stunden lang eingetaucht wurde. Das Pulvergemisch bestand in diesem Falle aus 15% einer Aluminium enthaltenden Legierung, 2% Halogenidaktivator und zum Rest Aluminiumoxid. Sodann wurde die Turbinenschaufel, deren Oberfläche mit Chrom und Aluminium angereichert worden war, mit Platin auf den kritischen Oberflächen zu einer Dicke von 7,62 µm elektrolytisch beschichtet. Der Abschnitt der Endoberfläche ist in Fig. 6 gezeigt.
Die nach dieser Version des erfindungsgemäßen Verfahrens behandelten Teile sind gegenüber einer Heißkorrosion erheblich beständiger als ähnliche Teile, die durch eine Packzementierung gemäß den US-PS 36 77 789 und 41 48 275 aluminiert worden sind.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann auf neu hergestellte Teile, aufbereitete Teile oder erneuerte Teile angewendet werden.

Claims

1. Verfahren zur Bildung einer Schutzdiffusionsschicht auf Teilen aus einer Nickel-, Kobalt- und Eisenlegierung durch Aufbringen eines kombinierten Diffusionsüberzugs aus Chrom, einem Metall der Platingruppe und Aluminium, dadurch gekennzeichnet, daß man das Chromieren in der Gasphase und in der Weise durchführt, daß man das Teil bei erhöhter Temperatur oberhalb und im Abstand von einem Gemisch hält, welches aus einer Quelle für Chrom, einem Aktivator und einem inerten Füllstoff besteht.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man auf der Oberfläche des zu schützenden Teils einen Überzug aus einem Metall der Platingruppe abscheidet, auf der Oberfläche des Teils eine Diffusionsschicht aus einem Metall der Platingruppe und Chrom ausbildet, indem man die Oberfläche chromiert, und daß man eine Diffusionsschicht aus einem Metall der Platingruppe, Chrom und Aluminium auf der Oberfläche ausbildet, indem man die Oberfläche bei erhöhter Temperatur aluminiert.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man auf der Oberfläche des zu schützenden Teils eine Chromdiffusionsschicht ausbildet, indem man die Oberfläche des zu schützenden Teils chromiert, auf der Oberfläche des zu schützenden Teils einen Überzug aus einem Metall der Platingruppe abscheidet und daß man eine Diffusionsschicht aus Chrom, einem Metall der Platingruppe und Aluminium auf der Oberfläche ausbildet, indem man die Oberfläche bei erhöhter Temperatur aluminiert.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man auf der Oberfläche des zu schützenden Teils durch Chromieren eine Diffusionsschicht von Chrom ausbildet, anschließend eine Diffusionsschicht von Chrom und Aluminium durch Aluminierung der Oberfläche bei erhöhter Temperatur ausbildet und daß man schließlich hierauf ein Metall der Platingruppe auf der Oberfläche des zu behandelnden Teils abscheidet.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß man als Metall der Platingruppe Platin verwendet.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß man das Metall der Platingruppe durch elektrolytische Abscheidung, Tauchen, Sprühen, Dampfabscheidung, Spritzen oder mechanisches Plattieren aufbringt.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß man das mit dem Metall der Platingruppe beschichtete Teil erhitzt, um das Metall der Platingruppe in die Oberflächen des Teils hineindiffundieren zu lassen.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß man das Teil auf einer Temperatur zwischen 816°C und 1093°C im Vakuum oder einer inerten Atmosphäre 1 bis 5 Stunden lang hält.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß man das Chromieren bei einer Temperatur zwischen 649°C und 149°C im Vakuum, einer inerten Atmosphäre oder einer reduzierenden Atmosphäre 1 bis 20 Stunden lang durchführt.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß man für die Chromierung ein Gemisch verwendet, welches im wesentlichen aus 1 bis 35% einer oder mehrerer Substanzen aus der Gruppe Chrom und Chromlegierungen, bis zu 40% Aktivator und zum Rest Aluminiumoxidfüllstoff besteht.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß man die Aluminierung bei erhöhter Temperatur in einem Gemisch, bestehend aus einer Quelle für Aluminium, einem Aktivator und einem inerten Füllstoff, oder oberhalb derselben durchführt.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß man die Aluminierung bei einer Temperatur zwischen 649°C und 1149°C im Vakuum, einer inerten Atmosphäre oder einer reduzierenden Atmosphäre über einen Zeitraum von 1 bis 20 Stunden durchführt.

13. Verfahren nach den Ansprüchen 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß man ein Gemisch verwendet, welches im wesentlichen aus 1 bis 35% einer oder mehrerer Substanzen aus der Gruppe Aluminium und Aluminiumlegierungen, bis zu 40% Aktivator und zum Rest Aluminiumoxidfüllstoff besteht.