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Die vorliegende Erfindung bezieht
sich auf einen Schutzüberzug
für metallische
Werkstücke
und auf ein Verfahren zur Herstellung eines Schutzüberzugs
für ein
metallisches Werkstück.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich insbesondere auf einen Schutzüberzug für ein Werkstück aus einer
auf Nickel oder auf Kobalt basierenden Superlegierung.
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Herkömmliche Umweltschutzüberzüge für auf Nickel
basierende Superlegierungen, für
auf Kobalt basierende Superlegierungen und auf Eisen basierende
Superlegierungen umfassen aluminierte Überzugsschichten, mit Platin
modifizierte aluminierte Überzugsschichten
oder mit Chrom modifizierte aluminierte Überzugsschichten für eine Hochtemperaturoxidation
und einen Korrosionswiderstand der Type 1.
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Konventionelle Umweltschutzüberzüge für auf Nickel
basierende Superlegierungen, für
auf Kobalt basierende Superlegierungen und auf Eisen basierende
Superlegierungen umfassen mit Silizid modifizierte Aluminid-Überzugsschichten
oder chromisierte Überzugsschichten
für einen
Korrosionswiderstand geringerer Temperatur der Type 2.
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Aluminidüberzüge werden allgemein durch das
bekannte Pack-Aluminisierungs-Verfahren
aus der Pack-Aluminisierung oder der Aufschlämm-Aluminisierung hergestellt.
Platin-Überzugsschichten
werden im Allgemeinen durch Elektroplattierung, durch Sputtering
oder durch physikalische Dampfablagerungsverfahren erzeugt. Chrom-Überzugsschichten
werden im Allgemeinen durch Pack-Chromisierung oder aus einer Pack-Dampf-Chromisierung
erzeugt. Silizid-Überzugsschichten
werden im Allgemeinen durch Aufschlämm-Aluminisierung aufgetragen.
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Es hat sich gezeigt, dass die Schaufelfüße, die
Schäfte
und die inneren Kühlkanäle von Turbinenschaufeln
einer Korrosion ausgesetzt sind, insbesondere bei Turbinenschaufeln
aus einer auf Nickel basierenden Superlegierung mit geringem Chromzusatz.
Die Schaufelfüße, die
Schäfte
und die inneren Kühlkanäle der Turbinenschaufeln
sind einer Korrosion der Type 2 ausgesetzt, und dies ist insbesondere
ein Problem bei niedrigen Temperaturen unter etwa 850°C. Die Korrosion
kann zu Spannungsrissen im Arbeitsprofil und/oder den Schaufelfüßen der
Turbinenschaufeln führen.
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Bei Turbinenlaufschaufeln oder Turbinenleitschaufeln
für Gasturbinentriebwerke
ist es bekannt, mehr als einen Umweltschutzüberzug aufzutragen, wenn mehr
als eine Type von Oxidation oder Korrosion zu erwarten ist.
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Platin-Aluminid-Überzugsschichten können auf
dem Arbeitsprofil von Turbinenlaufschaufeln aufgebracht werden und
chromisierte Überzugsschichten
können
auf den Schäften,
den Schaufelfüßen und
den inneren Kühlkanälen der
Turbinenlaufschaufel aufgebracht werden, um einen Umweltschutz zu
erzielen.
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Es hat sich jedoch bei gewissen metallischen
Werkstücken
gezeigt, dass dann, wenn der chromisierte Überzug durch Korrosion durchdrungen
war, die Korrosion des darunter liegenden metallischen Werkstücks mit
einer größeren Geschwindigkeit
stattfindet als bei einem metallischen Werkstück ohne chromisierte Überzugsschicht.
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Platin-Aluminid-Überzüge können auf den Arbeitsprofilen
der Turbinenlaufschaufeln aufgebracht werden, und Silizium-Aluminid-Überzüge können auf
den Schäften,
den Schaufelfüßen und
den inneren Kühlluftkanälen der
Turbinenleitschaufel aufgebracht werden, um einen Umweltschutz zu
erzielen.
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Der Silizium-Aluminid-Überzugsschichten
ergeben einen sehr guten Korrosionswiderstand, jedoch ist das Silizium-Aluminid
spröde
und leidet unter Rissebildung und ist daher nicht geeignet zur Benutzung
auf den Schaufelfüßen der
Turbinenlaufschaufeln.
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Außerdem dürfen die Überzüge für den Schaufelfuß einer
Turbinenlaufschaufel die Ermüdungslebensdauer
des Schaufelfußes,
des Schaftes oder anderer Teile der Turbinenlaufschaufel nicht in
einem solchen Ausmaß beeinträchtigen,
dass die Turbinenschaufel für
praktische Zwecke unbenutzbar wird.
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Demgemäß liegt der vorliegenden Erfindung
die Aufgabe zugrunde, einen neuartigen Korrosionsschutzüberzug für ein metallisches
Werkstück
und ein neuartiges Verfahren zur Aufbringung eines Korrosionsschutzüberzugs
auf ein metallisches Werkstück
zu schaffen, wodurch die oben erwähnten Probleme verringert und
vorzugsweise völlig
vermieden werden.
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Zur Lösung dieser Aufgabe schafft
die Erfindung einen Korrosionsschutzüberzug für ein metallisches Werkstück, das
als Turbinenlaufschaufel oder Turbinenleitschaufel ausgebildet ist,
wobei das metallische Werkstück
einen Schaft, einen Schaufelfuß oder
einen Kühlkanal
und das metallische Werkstück
eine Gamma-Phase und eine Gamma-Prim-Phase aufweist und der Korrosionsschutzüberzug wenigstens
auf dem Schaft, dem Schaufelfuß oder
dem Kühlkanal
des metallischen Werkstücks
aufgebracht ist und wobei der Korrosionsschutzüberzug eine äußere mit
einem Metall der Platingruppe angereicherte Schicht auf dem metallischen
Werkstück
aufweist und die äußere Schicht
des metallischen Werkstücks
vorherrschend aus einer mit einem Metall der Platingruppe angereicherten
Gamma-Phase und einer mit einem Metall der Platingruppe angereicherten
Gamma-Prim-Phase besteht und das Metall der Platingruppe eines oder
mehrere der folgenden Elemente aufweist: Platin, Palladium, Rhodium
oder Iridium.
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Vorzugsweise steht die äußere Schicht,
die mit einem Metall der Platingruppe angereichert ist, unter einer
Kompressivbeanspruchung.
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Vorzugsweise besitzt der Korrosionsschutzüberzug eine
dritte Schicht aus einem Oxid des Metalls der Platingruppe, mit
dem die äußere Schicht
des metallischen Werkstücks
angereichert ist.
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Vorzugsweise ist das Metall der Platingruppe
Platin.
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Vorzugsweise weist die äußere mit
einem Metall der Platingruppe angereicherte Schicht des metallischen
Werkstücks
eine bestimmte Menge von Silizium, Aluminium oder Chrom auf.
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Vorzugsweise besteht das metallische
Werkstück
aus einer Superlegierung auf Nickelbasis oder einer Superlegierung
auf Kobaltbasis.
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Vorzugsweise befindet sich der Überzug auf
dem Schaufelfuß und
dem Schaft der Turbinenlaufschaufel.
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Die vorliegende Erfindung schafft
außerdem
ein Verfahren zum Aufbringen eines Korrosionsschutzüberzugs
auf einem metallischen Werkstück,
wobei das metallische Werkstück
eine Turbinenlaufschaufel oder eine Turbinenleitschaufel ist und
das metallische Werkstück
einen Schaft, einen Schaufelfuß oder
einen Kühlkanal
aufweist und das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:
es
wird eine Schicht aus einem Metall der Platingruppe wenigstens auf
dem Schaft, dem Schaufelfuß oder
dem Kühlkanal
des metallischen Werkstücks
aufgetragen, wobei das metallische Werkstück eine Gamma-Phase und eine
Gamma-Prim-Phase umfasst und das Metall der Platingruppe eines oder
mehrere der folgenden Elemente aufweist: Platin, Palladium, Rhodium
oder Iridium;
das metallische Werkstück wird einer Wärmebehandlung
unterworfen, damit das Metall der Platingruppe in das metallische
Werkstück
diffundieren kann und dadurch eine äußere mit einem Metall der Platingruppe
angereicherte Schicht auf dem metallischen Werkstück erzeugt,
wobei die Wärmebehandlung
bei einer derartigen Temperatur und so lange durchgeführt wird,
dass die mit einem Metall der Platingruppe angereicherte äußere Schicht
des metallischen Werkstücks
vorherrschend aus einer mit einem Metall der Platingruppe angereicherten
Gamma-Phase und
einer mit einem Metall der Platingruppe angereicherten Gamma-Prim-Phase besteht.
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Vorzugsweise wird eine Kompressivbeanspruchung
in der äußeren mit
einem Metall der Platingruppe angereicherten Schicht auf dem metallischen
Werkstück
erzeugt.
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Vorzugsweise umfasst das Verfahren
die Erzeugung einer dünnen
Schicht aus Oxid auf der äußeren mit
einem Metall der Platingruppe angereicherten Schicht des metallischen
Werkstücks.
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Vorzugsweise wird die Wärmebehandlung
bei einer Temperatur zwischen 1000°C und 1200°C durchgeführt. Noch zweckmäßiger ist
es, die Wärmebehandlung
bei einer Temperatur zwischen 1100°C und 1200°C durchzuführen.
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Vorzugsweise wird die Wärmebehandlung
bis zu 6 Stunden lang durchgeführt.
Noch zweckmäßiger ist
es, die Wärmebehandlung
bis zu 2 Stunden lang durchzuführen.
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Vorzugsweise wird das Metall der
Platingruppe durch Elektroplattierung, physikalische Dampfablagerung,
chemische Dampfablagerung oder durch Plasma unterstützte chemische
Dampfablagerung aufgetragen.
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Vorzugsweise ist das Metall der Platingruppe
Platin.
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Vorzugsweise beträgt die Dicke der Schicht aus
dem Metall der Platingruppe, wie sie vor der Wärmebehandlung bestand, zwischen
2 Mikrometer und 12 Mikrometer. Noch zweckmäßiger ist es, wenn die Schicht aus
einem Metall der Platingruppe vor der Wärmebehandlung 6 bis 8 Mikrometer
dick ist.
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Vorzugsweise wird die dünne Oxidhaftschicht
durch Erhitzung der äußeren mit einem
Metall der Platingruppe angereicherten Schicht in einer Sauerstoff
enthaltenden Atmosphäre
gebildet.
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Vorzugsweise wird eine bestimmte
Menge von Silizium, Aluminium oder Chrom mit der Schicht aus dem
Metall der Platingruppe aufgetragen oder auf dieser Schicht aufgetragen.
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Vorzugsweise besteht das metallische
Werkstück
aus einer auf Nickel oder Kobalt basierenden Superlegierung.
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Vorzugsweise wird der Überzug auf
dem Schaufelfuß und
dem Schaft der Turbinenlaufschaufel aufgetragen.
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Vorzugsweise besteht die Erzeugung
der Kompressivbeanspruchung in der äußeren mit einem Metall der
Platingruppe angereicherten Schicht auf dem metallischen Werkstück aus einer
Stoßverformung
durch eine Ladung, durch einen Laser oder andere geeignete Verfahren
einer Stoßverformung.
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Vorzugsweise besteht die Ladungsstoßverformung
darin, metallische Partikel oder keramische Partikel auf die äußere mit
einem Metall der Platingruppe angereicherte Schicht auf dem metallischen
Werkstück zu
richten.
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Nachstehend werden Ausführungsbeispiele
der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung
zeigen:
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1 zeigt
eine metallische Turbinenlaufschaufel, teilweise im Schnitt, die
mit einem erfindungsgemäßen Schutzüberzug ausgerüstet ist;
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2 ist
ein Schnitt der metallischen Turbinenlaufschaufel und des Schutzüberzugs
gemäß 1;
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3 ist
im größeren Maßstab gezeichnet
eine Schnittansicht durch die metallische Turbinenlaufschaufel und
den Schutzüberzug
gemäß 1;
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4 ist
eine graphische Darstellung, welche die Korrosionsrate in Abhängigkeit
von der Temperatur für
eine metallische Turbinenlaufschaufel ohne Schutzüberzug zeigt;
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5 ist
eine graphische Darstellung, welche die Ermüdung bei niedriger Lastspielzahl
bei 650°C
für metallische
Turbinenlaufschaufeln im Vergleich zeigt mit keinem Schutzüberzug und
verschiedenen Schutzüberzügen;
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6 ist
eine graphische Darstellung, welche die Kerbschlagermüdung bei
niedriger Lastspielzahl bei 650°C
und kt = 2,29 für
metallische Turbinenlaufschaufeln ohne Schutzüberzug und mit verschiedenen Schutzüberzügen zeigt.
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Eine Gasturbinentriebwerks-Laufschaufel 10,
wie sie in 1 dargestellt
ist, besitzt ein Flügelprofil 12, eine
Plattform 14, einen Schaft 16 und einen Schaufelfuß 18.
Die Turbinenlaufschaufel 10 besitzt innere Kühlluftkanäle 28.
Das Flügelprofil 12 und
die Plattform 14 der Turbinenlaufschaufel 10 besitzen
einen Schutzüberzug 20 aus
Platin-Aluminid. Der Platin-Aluminid-Schutzüberzug 20 wird vorzugsweise
auf das Flügelprofil 12 und
jene Oberfläche
der Plattform 14 aufgetragen, die im Betrieb mit dem Gasstrom
durch die Turbine in Berührung
kommt. Der Schaft 16 und der Schaufelfuß 18 der Turbinenlaufschaufel 10 besitzen
einen Schutzüberzug 22 gemäß der vorliegenden
Erfindung. Stattdessen kann der Schutzüberzug 22 auf alle
Bereiche der Turbinenlaufschaufel 10 aufgetragen werden,
die einer Niedrigtemperaturkorrosion und/oder einer Hochtemperaturkorrosion
und Oxidation unterworfen sind, beispielsweise auf den inneren Kühlluftkanälen 28 der
Turbinenlaufschaufel 10.
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Die metallische Turbinenlaufschaufel 10 und
der Schutzüberzug 22 sind
deutlicher aus den 2 und 3 erkennbar. Der Schutzüberzug 22 besteht
aus einer mit einem Metall der Platingruppe angereicherten Schicht 24 auf
der Oberfläche
des metallischen Werkstücks
und aus einer dünnen
Oxidschicht 26 auf der mit einem Metall der Platingruppe
angereicherten Schicht 24. Die metallische Turbinenlaufschaufel 10 besteht
aus einer Superlegierung auf Nickelbasis, einer Superlegierung auf
Kobaltbasis oder einer anderen Legierung mit Gamma-Prim-Phasen in einer Gamma-Phasen-Matrix.
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Der Überzug 22 wird dadurch
erzeugt, dass zunächst
die Oberfläche
der metallischen Turbinenlaufschaufel 10 durch Sandstrahlen
mit feinem Aluminiumgrieß beaufschlagt
wird und indem dann eine Entfettung stattfindet. Eine Schicht aus
einem Metall der Platingruppe mit im Wesentlichen konstanter Dicke
wird auf der metallischen Turbinenlaufschaufel 10 abgelagert.
Das Metall der Platingruppe wird bis zu einer Dicke zwischen 2 Mikrometern
und 12 Mikrometern aufgetragen.
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Die Dicke des Metalls der Platingruppe
wird gemäß den Erfordernissen
des Überzugs
gewählt.
Eine dicke Schicht von wenigstens 6 Mikrometern aus einem Metall
der Platingruppe ergibt einen ausgezeichneten Korrosionswiderstand.
Eine dünne
Schicht von weniger als 6 Mikrometern eines Metalls der Platingruppe
ergibt einen geringeren Korrosionswiderstand als 6 Mikrometer eines
Metalls der Platingruppe.
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Das Platin wird durch Elektroplattierung,
chemische Dampfablagerung, physikalische Dampfablagerung, beispielsweise
Sputtering, durch Plasma-unterstützte chemische
Dampfablagerung oder irgendein anderes geeignetes Verfahren aufgetragen.
Die chemische Dampfablagerung kann benutzt werden, um das Metall
der Platingruppe auf der Oberfläche
der inneren Kühlluftkanäle 28 aufzubringen.
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Die metallische mit einem Metall
der Platingruppe überzogene
Turbinenlaufschaufel 10 wird dann einer Diffusionserhitzung
unterworfen, die derart durchgeführt
wird, dass die Metallschicht der Platingruppe veranlasst wird, sich
mit der Legierung der metallischen Turbinenlaufschaufel 10 zu
kombinieren. Dies ergibt die mit einem Metall der Platingruppe angereicherte
Schicht 24 auf der metallischen Turbinenlaufschaufel 10.
Die Diffusionswärmebehandlung
wird durchgeführt,
indem die metallische Turbinenlaufschaufel 10 auf eine
Temperatur im Bereich zwischen 1000°C und 1200°C, vorzugsweise auf 1000°C bis 1200°C, aufgeheizt
wird. Die Wärmebehandlung
ist entweder eine Wärmebehandlung
unter Vakuumbedingungen oder eine Wärmebehandlung bei einem Partialdruck
eines inerten Gases, beispielsweise von Argon.
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Die Mikrostruktur der metallischen
Turbinenlaufschaufel 10 und der mit einem Metall der Platingruppe angereicherten
Schicht 24 ist in 3 dargestellt.
Die metallische Turbinenlaufschaufel 10 ist aus einer Superlegierung
auf Nickelbasis, einer Superlegierung auf Kobaltbasis oder einer
anderen Legierung hergestellt, die eine Gamma-Prim-Phasen-Matrix 30 und
eine Gamma-Prim-Phase 32 in der Gamma-Phasen-Matrix 30 enthält. Die
mit einem Metall der Platingruppe angereicherte Schicht 24 weist
eine mit einem Metall der Platingruppe angereicherte Gamma-Phasen-Matrix 34 und
eine mit einem Metall der Platingruppe angereicherte Gamma-Prim-Phase 36 in
der mit einem Metall der Platingruppe angereicherten Gamma-Phasen-Matrix 34 auf.
In der metallischen Turbinenlaufschaufel 10 wird unter
der mit einem Metall der Platingruppe angereicherten Schicht 24 eine
Schicht 38 erzeugt, die keinerlei Gamma-Prim-Phase 32 enthält. Die
Wärmebehandlung bewirkt,
dass sich das Aluminium in der Gamma-Prim-Phase in der Schicht 38 in
die mit einem Metall der Platingruppe angereicherte Schicht bewegt
und dadurch die Gamma-Prim-Phase zerlegt, weil das Aluminium eine größere chemische
Affinität
für das
Metall der Platingruppe hat.
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Es kann jedes Metall der Platingruppe
benutzt werden, beispielsweise Palladium, Rhodium, Iridium, jedoch
ist Platin das bevorzugte Metall der Platingruppe. Es kann möglich sein,
eine Kombination von zwei oder mehreren Metallen der Platingruppe zu
benutzen, beispielsweise Platin und Rhodium, Platin und Palladium
oder Palladium und Rhodium usw.
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Die Wärmebehandlung einer 7 μm dicken
Schicht aus Platin in die Superlegierung auf Nickelbasis resultiert
in einer äußeren mit
Platin angereicherten Schicht einer Dicke von etwa 25 μm bis 30 μm. Die Wärmebehandlung
einer 4 μm
dicken Schicht aus Platin in die Superlegierung auf Nickelbasis
führt zu
einer äußeren mit
Platin angereicherten Schicht einer Dicke von etwa 12 μm bis 15 μm.
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Es wurde ursprünglich angenommen, dass eine
Vergrößerung der
Dicke des Metalls der Platingruppe die Dauerfestigkeit vermindert.
Es wird jetzt jedoch angenommen, dass, so lange wie die mit einem
Metall der Platingruppe angereicherte Gamma-Phase und einem Metall
der Platingruppe angereicherte Gamma-Prim-Phasen-Schicht erzeugt
wird, die Dauerfestigkeit nicht vermindert wird, weil eine duktile
Schicht erzeugt wird. Es ist zweckmäßig, dass das Metall der Platingruppe
in einer Dicke von 6 bis 8 Mikrometer, vorzugsweise in einer Dicke
von 7 Mikrometer, auf der Superlegierung auf Nickelbasis abgelagert
wird und in die Superlegierung auf Nickelbasis hinein diffundiert,
um die mit Platin angereicherte Schicht zu erzeugen. Dies ergibt
einen ausgezeichneten Korrosionswiderstand und einen Widerstand
gegen Rissebildung und es ergibt sich eine Dauerfestigkeit, die
besser ist als bei Aluminidüberzügen.
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Die mit Platin angereicherte Schicht
umfasst eine äußere Zone,
eine mittlere Zone und eine innere Zone. Die äußere Zone weist etwa 45 Gew.-%
Pt, etwa 35 Gew.-% Ni, etwa 4,5 Gew.-% Al, etwa 5 Gew.-% Co, etwa
1 Gew.-% Re und etwa 3 Gew.-% jeweils von Ta, W und Cr auf. Die
mittlere Zone besteht aus 30 bis 45 Gew.-% Pt, 35 bis 42 Gew.-%
Ni, 3 bis 4,5 Gew.-% Al, 4 bis 8 Gew.-% Co, 3 bis 6 Gew.-% W, 3
bis 6 Gew.-% Cr und etwa 4 Gew.-% Ta. Die innere Zone weist 10 bis
25 Gew.-% Pt, 42 bis 55 Gew.-% Ni, etwa 3 Gew.-% Al, etwa 3,5 Gew.-%
Ta auf, und die Anteile von Co, Cr, W und Re sind die gleichen wie
in der Superlegierung auf Nickelbasis.
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Die mit einem Metall der Platingruppe
angereicherte Schicht 24 wird dann in der Weise behandelt, dass
eine Kompressivbeanspruchung in der mit einem Metall der Platingruppe
angereicherten Schicht 24 erzeugt wird, um die Dauerfestigkeit
der mit einem Metall der Platingruppe angereicherten Schicht 24 zu
erhöhen.
Insbesondere die Schaufelfüße 18 müssen eine
Wechselfestigkeit sowohl bei niedrigen als auch bei hohen Zyklen
aufweisen und insbesondere auch eine Wechselfestigkeit mit niedrigen
Zyklen. Dadurch, dass die mit einem Metall der Platingruppe angereicherte
Schicht 24 einer Kompressivbeanspruchung unterworfen wird,
kann der Überzug 22 auch
in Bereichen benutzt werden, die eine Wechselfestigkeit erfordern,
beispielsweise die Schaufelfüße 18 und
die Schäfte 16.
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Die mit einem Metall der Platingruppe
angereicherte Schicht 24 wird so behandelt, dass die Kompressivbeanspruchung
durch Stoßverformung
oder andere geeignete Verfahren zustandekommt. Die Stoßverformung
kann ein Aufschussverfahren, ein Laserschockverfahren oder ein anderes
geeignetes Stoßverformungsverfahren
sein. Das Aufschussverformungsverfahren kann ein Verfahren aufweisen,
mit dem Metallpartikel oder Keramikpartikel auf die Oberfläche der
mit einem Metall der Platingruppe angereicherte Schicht 24 bei
Umgebungstemperatur aufgeschossen wird. Dieses Aufschussverfahren
kann unter Schwerkraft zugeführte
Partikel oder unter Druck zugeführte
Partikel aufweisen.
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Es kann auch möglich sein, bestimmte Zusätze von
Silizium, Aluminium und Chrom in die durch ein Metall der Platingruppe
angereicherte Schicht einzubringen, um den Korrosionswiderstand
zu verbessern.
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4 ist
eine graphische Darstellung, welche die Korrosionsrate einer typischen
Superlegierung auf Nickelbasis zeigt. Die graphische Darstellung
gibt an, dass es zwei Korrosionsspitzenwerte gibt, nämlich den einen
bei etwa 720°C
(Korrosion der Type 2) und einen weiteren Spitzenwert bei etwa 800°C (Korrision
der Type 1).
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Der Spitzenwert der Korrosion, der
bei 720°C
auftritt, ist eine Folge des Angriffs der auf Nickel basierenden
Superlegierung durch Sulfate (SO3). Die
Sulfate aus Natriumsulfat (Na2SO4) und Kaliumsulfat (K2SO4) reagieren mit dem Nickeloxid (NiO) und
Kobaltoxid (CoO) auf der Oberfläche
der CMSX4, um eine niedrig schmelzende Nickelsulfat- oder Kobaltsulfatverbindung
zu erzeugen (NiSO4 bzw. CoSO4).
Diese Verbindungen greifen dann die auf Nickel basierende Superlegierung
tiefer innerhalb des Werkstückes
an und bilden mehr Nickelsulfat und mehr Kobaltsulfat.
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Die Korrosionsspitze, die bei 800°C erscheint,
ist eine Folge des Angriffs der Nickelbasis-Superlegierung durch
Chloride. Die Chloride bilden Natriumchlorid, das mit der Schutzoxidschicht
und der darunter liegenden Nickelbasis-Superlegierung reagiert.
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Die Korrision ist zwischen 720°C und 800°C verringert,
weil bei diesen Temperaturen die Sulfate nicht mehr vorhanden sind.
Die Korrosion vermindert sich von 850°C an, weil die Chloride über ihrem
Taupunkt befindlich sind. Über
850°C ist
die Superlegierung einer Oxidation unterworfen.
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In einer Reihe von Versuchen wurden
Proben mit unbeschichteten Nickelbasis-Superlegierungen hinsichtlich ihres
Korrosionswiderstandes einer Temperatur von 700°C 100 Stunden, 200 Stunden bzw.
500 Stunden lang ausgesetzt, und die Ergebnisse sind in der Tabelle
1 dargestellt. Tabelle 1 zeigt die durchschnittliche und die maximale
Eindringtiefe der Korrosion in Mikrometern für verschiedene auf Nickel basierende
Superlegierungen bei einer Temperatur von 700°C.
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In einer weiteren Gruppe von Versuchen
wurden Proben unbeschichteter Superlegierungen auf Nickelbasis hinsichtlich
ihres Korrosionswiderstandes einer Temperatur von 750°C 100 Stunden
lang, 200 Stunden lang und 500 Stunden lang getestet, und die Ergebnisse
sind in der Tabelle 2 dargestellt. Tabelle 2 zeigt die durchschnittliche
und die maximale Eindringtiefe der Korrosion in Mikrometern für verschiedene
Superlegierungen auf Nickelbasis bei einer Temperatur von 750°C.
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Bei einer weiteren Gruppe von Versuchen
wurden Proben von auf Nickel basierenden Superlegierungen mit verschiedenen
Schutzüberzügen hinsichtlich
ihres Korrosionswiderstandes bei Temperaturen von 700°C 100 Stunden
lang, 200 Stunden lang und 500 Stunden lang getestet, und die Ergebnisse
sind in Tabelle 3 dargestellt. Die Tabelle 3 zeigt die durchschnittliche
und die maximale Eindringtiefe der Korrosion in Mikrometern für verschiedene
auf Nickel basierende Superlegierungen mit unterschiedlichen Schutzüberzügen bei einer
Temperatur von 700°C.
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In einer Schlussserie von Versuchen
wurden Proben von Superlegierungen auf Nickelbasis mit unterschiedlichen
Schutzüberzügen hinsichtlich
ihres Korrosionswiderstandes getestet, und zwar bei einer Temperatur
von 750°C
100 Stunden lang, 200 Stunden lang und 500 Stunden lang, und die
Ergebnisse sind in Tabelle 4 dargestellt. Tabelle 4 zeigt die durchschnittliche
und maximale Eindringtiefe der Korrosion in Mikrometern für verschiedene
auf Nickel basierende Superlegierungen mit unterschiedlichen Schutzüberzügen bei
einer Temperatur von 750°C.
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Bei den Versuchen wurden herkömmlich chromisierte
und aluminisierte Überzüge benutzt,
und es wurde eine Platinschicht von 6 Mikrometern Dicke benutzt,
die 2 Stunden lang bei einer Temperatur von 1100°C behandelt war. Die Versuche
umfassten ein Aussetzen der Proben an Luft mit einem Schwefeldioxidgehalt
von 300 Volumenteilen pro Million mit Aschenbelag, was normalerweise
Seesalz ist, und die Versuche wurden jeweils 20 Stunden mit einer
Salzkonzentration von 0,6 mg pro Quadratzentimeter durchgeführt.
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Die getesteten Superlegierungen auf
Nickelbasis waren CMSX4, CMSX10 und MARM-002. CMSX4 und CMSX10 sind
Markennamen der Cannon-Muskegon Corporation, 2875 Lincoln Street,
Muskegon, Michigan, MI 49443-0506, USA. CMSX4 besitzt eine nominelle
Zusammensetzung aus 6,4 Gew.-% Wolfram, 9,5 Gew.-% Kobalt, 6,5 Gew.-%
Chrom, 3,0 Gew.-% Rhenium, 5,6 Gew.-% Aluminium, 6,5 Gew.-% Tantal,
1,0 Gew.-% Titan, 0,1 Gew.-% Hafnium, 0,6 Gew.-% Molybden, 0,006
Gew.-% Kohlenstoff, wobei der Rest aus Nickel besteht. CMSX10 hat
eine nominelle Zusammensetzung aus 5,5 Gew.-% Wolfram, 3,3 Gew.-%
Kobalt, 2,2 Gew.-% Chrom, 6,3 Gew.-% Rhenium, 5,75 Gew.-% Aluminium,
8,3 Gew.-% Tantal, 0,23 Gew.-% Titan, 0,05 Gew.-% Hafnium, 0,4 Gew.-%
Molybden, 0,1 Gew.-% Niob, wobei der Rest Nickel ist. MARM-002 ist
der Markenname der Martin Marietta Corporation in Bethesda, Maryland,
USA. MARM-002 hat eine nominelle Zusammensetzung aus 10 Gew.-% Wolfram,
10 Gew.-% Kobalt, 9 Gew.-% Chrom, 5,5 Gew.-% Aluminium, 2,5 Gew.-%
Tantal, 1,5 Gew.-% Titan, 1,5 Gew.-% Hafnium, 1,15 Gew.-% Kohlenstoff,
wobei der Rest Nickel ist.
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- ∅
- durchschnittliche
Eindringtiefe
- Max
- maximale Eindringtiefe
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Aus den Tabellen 3 und 4 ist ersichtlich,
dass der Platinüberzug
auf CMSX4 einen besseren Schutz als der Aluminidüberzug auf CMSX4 liefert und
besser ist als der chromisierte Überzug
auf CMSX4.
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Es wird angenommen, dass die mit
einem Metall der Platingruppe angereicherte Schicht auf der metallischen
Turbinenlaufschaufel einen Schutz gegen die Sulfatkorrosion (Type
2), einen Schutz gegen die Chloridkorrosion (Type 1) und einen Schutz
gegen Oxidation gewährleistet.
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Die mit einem Metall der Platingruppe
angereicherte Schicht verringert erstens den Anteil von Nickel und/oder
Kobalt an der Oberfläche
der metallischen Turbinenschaufel, der verfügbar ist zur Reaktion mit dem Sulfat
in Form von Nickelsulfat und/oder Kobaltsulfat. Der Grund hierfür besteht
darin, dass das Metall der Platingruppe Nickel und/oder Kobalt durch
Substitution in der mit einem Metall der Platingruppe angereicherten äußeren Schicht
der metallischen Turbinenlaufschaufel ersetzt. Zweitens bildet die
Oxidschicht auf der äußeren Schicht
mit einem Metall der Platingruppe eine Schicht aus Aluminiumoxid.
Die Oxidschicht bildet eine Barriere, die verhindert, dass Nickel
und/oder Kobalt die Oberfläche
erreicht, um in Reaktion mit dem Sulfat zu treten und Nickelsulfat
und/oder Kobaltsulfat zu erzeugen. Die Oxidschicht bildet sich entweder
während
der Wärmebehandlung
infolge zu geringer Mengen von während
der Wärmebehandlung
vorhandenem Sauerstoff oder sie bildet sich während der Benutzung des metallischen
Werkstücks.
Die äußere mit
einem Metall der Platingruppe angereicherte Schicht unterstützt die
Aufrechterhaltung der Oxidschicht. Die mit einem Metall der Platingruppe
angereicherte Gamma-Phase und die mit einem Metall der Platingruppe
angereicherte Gamma-Prim-Phase vermindert die Diffusionsrate von
Nickel und anderen korrosionsbegünstigenden
Elementen nach der Oberfläche.
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Die Oxidschicht bildet eine Barriere,
um den Chloridangriff auf die metallische Turbinenlaufschaufel zu vermindern
oder zu verhindern. Die Oxidschicht bildet eine Barriere, die die
Oxidation der metallischen Turbinenlaufschaufel vermindert oder
verhindert.
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Bei einer anderen Gruppe von Versuchen
wurde die Wirkung der Erzeugung einer Kompressivbeanspruchung in
der mit einem Metall der Platingruppe angereicherten Schicht untersucht.
Es ist wichtig, dass die Einführung
der Kompressivbeanspruchung nicht zu einer Rissebildung oder einer
Scherwirkung parallel zur Oberfläche
der mit einem Metall der Platingruppe angereicherten Schicht oder
zu einer Abblätterung
der mit einem Metall der Platingruppe angereicherten Schicht oder
zu einer Rissebildung senkrecht zur Oberfläche der mit einem Metall der
Platingruppe angereicherten Schicht führt.
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In einem ersten 110R-Kugelstrahlversuch
erfolgte eine Stahlkugel-Beaufschlagung mit Stahlpartikeln mit einem
Durchmesser von 11/1000stel Zoll (2,7 × 10–4 m
oder 270 μm)
und mit einer Nennhärte
von 45–55 Rockwell
C, und diese Partikel wurden auf eine mit Platin angereicherte Schicht
auf einer CMSX4-Nickel-Superlegierung gerichtet. Die Stahlkugelbeaufschlagung
hatte eine Intensität
von 9–12
N, gemessen unter Benutzung von Alman-Streifen, und die mit Platin
angereicherte Schicht wurde für
die doppelte Zeit mit 200%iger Bedeckung partikelbestrahlt, um die
Oberfläche
einmal zu bestrahlen. Die mit Platin angereicherte Schicht wurde überprüft und es
wurden keine Risse und keine Abblätterungen festgestellt.
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In einem zweiten 110R-Kugelstrahlversuch
wurden Stahlpartikel mit einem Durchmesser von 11/1000stel Zoll
(2,7 × 10–4 m
oder 270 μm)
und einer regulären
Härte von
45–55
Rockwell C auf eine mit Platin angereicherte Schicht auf einer CMSX4-Nickel-Superlegierung
gerichtet. Die Stahlpartikel hatten eine Intensität von 6–8 N, gemessen
unter Benutzung von Alman-Streifen, und die mit Platin angereicherte
Schicht wurde für
die doppelte Zeit mit 200%iger Bedeckung partikelbestrahlt, um die
Oberfläche
einmal zu bestrahlen. Die mit Platin angereicherte Schicht wurde überprüft und es
fand sich keine Rissebildung oder Abblätterung. Diese Beaufschlagung
ergab eine kompressive Restbeanspruchung auf der Oberfläche der
mit Platin angereicherten Schicht von ungefähr 400 MPa.
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Die Alman-Streifen wurden am Werkstück befestigt
und der gleichen Behandlung wie das Werkstück ausgesetzt. Die Alman-Streifen
wurden infolge der Beaufschlagung ausgelenkt und liefern ein Maß für die Höhe der Kompressivbeanspruchung,
die auf die mit Platin angereicherte Schicht ausgeübt wurde.
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Es ist zweckmäßig, dass das Stoßverformungsverfahren
Stahlpartikel mit einem Durchmesser von 11/1000stel Zoll (2,7 × 10–4 m
oder 270 μm)
und mit einer Nennhärte
von 45–55
Rockwell C benutzt bei einer Intensität von 9-12 N, gemessen unter
Benutzung von Alman-Streifen, und das Stoßverformungsverfahren wird
für die
doppelte Zeitdauer bei 200%iger Bedeckung durchgeführt, um
die Oberfläche
einmal zu bestrahlen.
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Die Tabelle 5 vergleicht das Einsetzen
von Rissen in den Aluminidüberzügen auf
CMSX4 und Platinüberzügen auf
CMSX4 unter Zugbelastungen bei 650°C bis 750°C. Es wird aus dieser Tabelle
deutlich, dass die mit Platin angereicherte Schicht auf der Nickelbasis-Superlegierung
einen besseren Schutz gegen Rissebildung ergibt als ein Aluminidüberzug.
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5 vergleicht
die Dauerfestigkeitseigenschaften bei geringen Lastspielzahlen von
unbeschichtetem CMSX4, bei niedriger Temperatur pack-aluminisierten Überzügen auf
CMSX4, Platinüberzügen auf
CMSX4 und einem anderen kommerziell aluminisierten Überzug auf
CMSX4 bei einer Temperatur von 650°C miteinander. Es ist klar,
dass das unbeschichtete CMSX4 die beste Dauerfestigkeit bei geringer Lastspielzahl
hat und dass das mit Platin überzogene
CMSX4 eine längere
Dauerfestigkeit mit geringer Lastspielzahl hat als jede der beiden
Aluminidüberzüge auf CMSX4.
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6 vergleicht
die Dauerfestigkeitseigenschaften mit geringer Lastspielzahl bei
650°C bei
gekerbten Proben und kt – 2,29
für unbeschichtetes
CMSX4, mit Platin überzogenes
CMSX4 und dem kommerziellen Aluminidüberzug auf CMSX4. Es wird wiederum
deutlich, dass das unbeschichtete CMSX4 die beste Dauerfestigkeit
bei geringer Lastspielzahl hat und dass das mit Platin überzogene
CMSX4 und das mit Aluminid überzogene
CMSX4 ähnliche
Dauerfestigkeitseigenschaften bei geringer Lastspielzahl haben.
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Die mit einem Metall der Platingruppe
angereicherte Schicht ist infolge der Stabilität der mit dem Metall der Platingruppe
angereicherten Gamma-Phase und der mit einem Metall der Platingruppe
angereicherten Gamma-Prim-Phase sehr stabil. Die mit einem Metall
der Platingruppe angereicherte Schicht ist duktil und tolerant gegenüber Beanspruchungen
und daher gegenüber
Rissebildung widerstandsfähig.
Die Anordnung der mit einem Metall der Platingruppe angereicherten
Schicht auf den Schaufelfüßen und/oder
Schäften
der Turbinenlaufschaufeln vermindert daher nicht die Dauerfestigkeit
der Schaufelfüße und/oder
der Schäfte
der Turbinenschaufeln.
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Es wird angenommen, dass die mit
einem Metall der Platingruppe angereicherte Gamma-Prim-Phase und
die mit einem Metall der Platingruppe angereicherte Gamma-Phasenstruktur
eine bessere Duktilität
hat als die Beta-Phasen-Platin-Aluminid-Struktur,
weil der Aluminiumgehalt unzureichend ist, um das Beta-Phasen-Platin-Aluminid zu
erzeugen. Die mit einem Metall der Platingruppe angereicherte Gamma-Phase
ist weich und duktil im Vergleich mit dem Beta-Phasen-Platin-Aluminid oder einem
einfachen Beta-Phasen-Aluminid. Die mit einem Metall der Platingruppe
angereicherte Gamma-Prim-Phase ist härter als die mit einem Metall
der Platingruppe angereicherte Gamma-Phase, aber die mit einem Metall
der Platingruppe angereicherte Gamma-Phase verleiht der mit einem
Metall der Platingruppe angereicherten Gamma-Phase und der mit einem
Metall der Platingruppe angereicherten Gamma-Prim-Phasenmischung
eine bessere Duktilität
als ein Beta-Phasen-Aluminid oder ein Beta-Phasen-Platin-Aluminid.
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Die mit einem Metall der Platingruppe
angereicherte Schicht ist geeignet zur Benutzung auf dem Schaufelfuß, dem Schaft
und dem inneren Kühlluftkanal
von Turbinenlaufschaufeln in Kombination mit einem Platin-Aluminid-Überzug auf
dem Arbeitsflügel
und der Plattform der Turbinenlaufschaufeln. Der Grund dafür liegt
darin, dass das Metall der Platingruppe auf der gesamten Turbinenlaufschaufel
in einem einzigen Vorgang abgelagert werden kann, und infolgedessen
können
der Arbeitsflügel
und die Plattform nur aluminisiert werden. Dies verringert die Kosten
der Herstellung eines Schutzüberzugs
auf dem Schaufelfuß,
dem Schaufelschaft und den inneren Kühlluftkanälen der Turbinenschaufeln,
verglichen mit der Anordnung eines chromisierten Überzugs
oder eines Silizium-Aluminid-Überzugs
auf dem Schaufelfuß,
dem Schaft und den inneren Kühlluftkanälen der
Turbinenschaufeln.
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Der Überzug gemäß der vorliegenden Erfindung
hat den Vorteil eines besseren Korrosionswiderstandes gegenüber dem
Chromüberzug.
Der erfindungsgemäße Überzug hat
den Vorteil einer besseren Widerstandsfähigkeit unter hohen Zugbelastungen
und eine bessere Dauerfestigkeit bei geringer Lastspielzahl gegenüber dem
Aluminidüberzug.
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Die Erfindung wurde in Verbindung
mit den Schaufelfüßen, den
Schäften
und den inneren Kühlkanälen einer
Turbinenlaufschaufel beschrieben, und dies sind hochbeanspruchte
Bereiche einer Turbinenlaufschaufel. Die Erfindung kann jedoch auch
auf anderen hochbeanspruchten Stellen einer Turbinenlaufschaufel,
einer Turbinenleitschaufel oder eines anderen metallischen Werkstücks benutzt
werden.
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Die Erfindung wurde beschrieben in
Verbindung mit einer Stoßverformung
der mit einem Metall der Platingruppe angereicherten Schicht, jedoch
sind auch andere Prallverfahren denkbar, und es können andere Verfahren
benutzt werden, um eine Kompressivbeanspruchung auf die mit einem
Metall der Platingruppe angereicherten Schicht zu erzeugen.
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Die Erfindung wurde in Verbindung
mit Turbinenlaufschaufeln beschrieben, jedoch ist die Erfindung auch
anwendbar für
Turbinenleitschaufeln, die aus Superlegierungen auf Nickelbasis
oder Kobaltbasis oder aus anderen Legierungen hergestellt sind,
die Gamma-Phasen und Gamma-Prim-Phasen aufweisen.