DE3708869A1

DE3708869A1 - Verfahren zur herstellung eines schutzueberzuges auf einem werkstueck aus titan oder einer titanlegierung

Info

Publication number: DE3708869A1
Application number: DE19873708869
Authority: DE
Inventors: David Frederick Bettridge
Original assignee: Rolls Royce PLC
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 1986-04-11
Filing date: 1987-03-18
Publication date: 1987-10-22
Also published as: FR2601044B1; GB2188942A; FR2601044A1; JPS62243757A; GB2188942B

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Schutzüberzüge und ins besondere auf Schutzüberzüge für Titan oder Titanle gierungen.

Gewisse Bauteile von Gasturbinentriebwerken, beispiels weise Kompressorschaufeln, werden häufig aus Titan legierungen hergestellt. Derartige Legierungen sind gut geeignet für den Betrieb bei Temperaturen von weit unter 0 Grad C bis in den Bereich von 500 Grad C. Das heißt, daß die Legierungen in allen außer den höchsten Druckstufen in einem Axialströmungskompressor einer Gasturbine benutzt werden können. Es müssen jedoch andere gewöhnlich auf Eisen- oder Nickelbasis beruhende Legierungen in den höchsten Druckstufen wegen der hohen Betriebstemperaturen benutzt werden, denen die Schaufeln in diesem Bereich ausgesetzt sind. Die Benutzung derartiger Legierungen ist im Hinblick auf den Gewichtsnachteil, den diese Legierungen gegenüber Titanlegierungen haben, uner wünscht. Es sind jetzt jedoch auch hochfeste Titanlegie rungen verfügbar, die Temperaturen von mehr als 500 Grad C standhalten können. Leider neigen bei diesen Temperaturen Legierungen jedoch zu einer Oxydation und es kommt zu einer Abblätterung und außerdem sind die Werkstücke em pfindlich gegenüber einer Alpha-Phasenbildung, weil sie Sauerstoff absorbieren.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Schutzüberzug für Titan oder Titanlegierungen zu schaffen, der die Titan oder Titanlegierungsoberfläche weniger empfänglich für eine Oberflächenabblätterung oder Alpha- Phasenbildung bei erhöhten Temperaturen macht als es bisher der Fall war.

Gemäß der Erfindung wird das Verfahren zum Überziehen eines Werkstücks aus Titan oder einer Titanlegierung mit einem Schutzüberzug in der Weise durchgeführt, daß

a) es wird auf der Titanoberfläche oder der Oberfläche der Titanlegierung ein Überzug aus Nickel oder Kobalt abgelagert;
b) es wird auf dem Überzug von Nickel oder Kobalt eine Chromschicht aufgetragen;
c) das aus Titan oder einer Titanlegierung bestehende Werkstück wird einer Wärmebehandlung unter Sauer stoffabschluß ausgesetzt, um wenigstens eine gewisse Diffusionsverbindung zwischen dem ab gelagerten Nickel oder Kobalt und dem Chromüber zug und zwischen dem Nickel- oder Kobaltüberzug und der Oberfläche aus Titan oder der Titan legierung zu erhalten.

Die Überzüge von Nickel oder Kobalt und Chrom können mit irgendeinem herkömmlichen Verfahren aufgebracht werden. Vorzugsweise erfolgt das Aufbringen durch Elektroplattie rung, und hierbei ist es notwendig, die Oberfläche des Werkstücks aus Titan oder einer Titanlegierung zu ätzen, bevor die Elektroplattierung durchgeführt werden kann. Das erforderliche Ausmaß der Ätzung kann durch Anoden- Ätzung der Oberfläche des Werkstücks in einer Mischung aus Essigsäure und Fluorwasserstoffsäure erfolgen. Andere Verfahren der Ablagerung von Nickel oder Kobalt und Chrom können ebenfalls angewandt werden. So können die Überzüge beispielsweise durch physikalische Dampfablagerungen oder stromlose Ablagerung hergestellt werden.

Die Wärmebehandlung zur Erzeugung einer Zwischendiffusion kann in jeder Atmosphäre, die nicht oxidierend ist und keine schädliche Wirkung auf die Überzugskomponente hat, durchgeführt werden, jedoch wird dieser Schritt vorzugs weise unter Vakuum vorgenommen.

Um die Wirksamkeit der Erfindung zu demonstrieren, wurde ein Prüfstück aus einer Titanlegierung nach dem erfin dungsgemäßen Verfahren überzogen und in einer Umgebung mit hoher Temperatur geprüft. Im einzelnen wurde ein Stift von 50 mm Länge und 7 mm Durchmesser aus einer kommerziell verfügbaren Legierung, die als Ti5331S bekannt ist, anfänglich anodisch in einer Mischung geätzt, die 87,5 Volumen-Prozent Essigsäure und 12,5 Volumen-Prozent Hydrofluor-Wasserstoffsäure enthielt, wobei eine Strom dichte von 1,8 A/m² eine Minute lang bei einer Temperatur zwischen 40 und 50 Grad C angewandt wurde. Ti5331S wird von Imperial Metal Industries hergestellt und enthält in Gewichtsprozenten 5,5% Aluminium, 3,5% Zinn, 3% Zirkonium, 1% Niob und der Rest ist Titan.

Dann wurde der Stift gespült, bevor er einer Elektroplattie rung mit Nickel bis zu einer Tiefe von 20 bis 25 µm ausge setzt wurde. Die Elektroplattierung wurde in einem modifi zierten Wattbad während einer Zeitdauer von 20 Minuten bei einer Temperatur von 50 Grad und einer Stromdichte von 4,5 A/m² durchgeführt. Nach einer weiteren Spülung wurde der Stift einer Elektroplattierung mit Chrom bis zu einer Tiefe von 1 bis 2 µm unterworfen. Die Elektroplattierung wurde in einem Bad durchgeführt, das 350 g/l Chromsäure und 2,5 g/l Schwefelsäure enthielt, und die Dauer der Behandlung betrug 5 Minuten bei einer Temperatur von 49 Grad C und einer Stromdichte von 20,7 A/m². Der Stift wurde dann mitsamt den elektroplattierten Über zügen von Nickel und Chrom gespült und getrocknet, be vor er auf eine Temperatur von 700 Grad C eine Stunde lang unter Vakuumbedingungen erhitzt wurde, um eine gewisse Diffusionsverbindung zwischen Nickel- und Chromüberzügen zu bilden und zu gewährleisten, daß eine gewisse Diffusionsbindung zwischen dem Nickelüberzug und der Titanlegierung des Stiftes zustande kommt, um eine wirksame Zwischenflächenbindung zwischen dem Stift und den Überzügen zu erzeugen.

Dann wurde der Stift in Luft auf eine Temperatur von 650 Grad C während einer Dauer von 1000 Stunden erhitzt, um die Wirksamkeit des aufgetragenen Überzugs bei länger andauernden hohen Temperaturen abschätzen zu können. Nachdem der Stift aufgeschnitten war, zeigte sich, daß nur eine oberflächliche Oxydation der Oberfläche der Titanlegierung vorhanden war, und daß keine Alpha-Phasen bildung erfolgt war.

Obgleich gemäß dem beschriebenen Ausführungsbeispiel das Prüfstück ein Stift aus einer Titanlegierung war, der mit Nickel und Chrom plattiert wurde, kann das er findungsgemäße Verfahren auch zum Schutz von Titan und anderen Titanlegierungen benutzt werden, und die Nickel schicht könnte durch eine Kobaltschicht ersetzt sein.

Demgemäß schafft die Erfindung ein nützliches Verfahren zum Schutz von Werkstücken aus Titan oder einer Titan legierung, die im Betrieb hohen Umgebungstemperaturen ausgesetzt sind, wobei ein Schutz gegen die Wirkungen der Oxydation und gegen Alpha-Phasenbildung erzielt wird.

Claims

1. Verfahren zur Erzeugung eines Schutzüberzuges auf einem Werkstück aus Titan oder einer Titanlegierung, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:

a) es wird auf der Titanoberfläche oder der Oberfläche der Titanlegierung ein Überzug aus Nickel oder Kobalt abgela gert;
b) es wird auf dem Überzug an Nickel oder Kobalt eine Chromschicht aufgetragen;
c) das aus Titan oder einer Titanlegierung bestehende Werkstück wird einer Wärme behandlung unter Sauerstoffabschluß aus gesetzt, um wenigstens eine gewisse Diffusionsverbindung zwischen dem abge lagerten Nickel oder Kobalt und dem Chrom überzug und zwischen dem Nickel- oder Kobaltüberzug und der Oberfläche aus Titan oder der Titanlegierung zu erhalten.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Überzüge aus Nickel oder Kobalt und aus Chrom auf der Werkstückoberfläche durch Elektroplattierung aufgetragen werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmebehandlung des aus Titan oder einer Titanlegierung bestehenden Werkstücks unter Vakuum durchgeführt wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmebehandlung des Werkstücks aus Titan oder einer Titanlegierung bei einer Temperatur von etwa 700 Grad C etwa eine Stunde lang durchgeführt wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Nickel- oder Kobaltüberzug bis auf eine Tiefe zwischen 20 und 25 µm abgelagert wird, und daß der Chromüberzug eine Tiefe von 1 bis 2 µm hat.

6. Werkstück aus Titan oder einer Titanlegierung, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkstück mit einer Schutzschicht gemäß dem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche überzogen ist.