DE60014733T2

DE60014733T2 - Abschleifbarer quasikristalliner Überzug

Info

Publication number: DE60014733T2
Application number: DE60014733T
Authority: DE
Inventors: Frank J. Indianapolis Hermanek
Original assignee: Praxair ST Technology Inc; Praxair Technology Inc
Current assignee: Praxair ST Technology Inc; Praxair Technology Inc
Priority date: 1999-03-16
Filing date: 2000-03-14
Publication date: 2006-02-09
Anticipated expiration: 2020-03-15
Also published as: JP2000290765A; SG82688A1; EP1036855A1; KR20000062860A; JP3699322B2; US6254700B1; ES2224942T3; DE60014733D1; ATE279549T1; EP1036855B1; CA2300625C; CA2300625A1; BR0001306A

Description

Hintergrund der Erfindung
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Aluminium-Kupfer-Eisen-Quasikristalllegierungen und insbesondere auf abschleifbare Quasikristallüberzüge, die einen niedrigen Reibungswiderstand aufweisen.
Beschreibung des Stands der Technik
Quasikristalle sind Materialien, deren Struktur innerhalb der klassischen kristallographischen Methodologie nicht verständlich ist. Diese quasiperiodischen Strukturen haben eine Weitstreckenausrichtung, jedoch keine Übergangsperiodizität. Konventionelle Kristalle bestehen aus wiederholten Kopien einer einzelnen geometrischen atomaren Anordnung – wie Ziegel aufeinander gestapelte Einheitszellen. Obgleich ebenfalls aus einem einzelnen Typ an atomaren Clustern aufgebaut, unterscheiden sich Quasikristalle andererseits insofern, als dass sich benachbarte Cluster überlappen und Atome mit ihren Nachbarn teilen. Wenn sich Cluster durch das Teilen von Atomen überlappen (quasiperiodische Packung), erzeugen sie dichtere atomare Gruppierungen als konventionelle periodische, sich wiederholende Packungsmuster.
Die nichtperiodische Struktur von Quasikristallen ergibt einen breiten, bislang unerreichbaren Bereich an physikalischen Eigenschaften, der innerhalb eines einzelnen Materials enthalten ist. Quasikristalle weisen eine schlechte Wärmeleitfähigkeit auf und bleiben bis zu etwa 1100° C stabil. Daher verteilt eine dünne Lage auf einer wärmeleitenden Oberfläche die Wärme gleichförmig und beseitigt "heiße Stellen". Diese harten Überzüge fördern die Verschleiß- und Kratzfestigkeit. Darüber hinaus verfügen sie aufgrund ihrer geringen Reibungskoeffizienten und ihrer elektronischen Struktur (geringe Oberflächenenergie) über nicht-haftende Eigenschaften. Schließlich verfügen sie über eine Beständigkeit sowohl gegenüber Korrosion wie Oxidation.
Forscher haben über 800 unterschiedliche Quasikristalllegierungen bestimmt. Viele dieser Legierungen enthalten eine Kombination aus Aluminium, Kupfer und Eisen. Die Al-Cu-Fe-Legierungen ergeben den spezifischen Ikosaeder-Quasikristall, der in atomaren Gewichtsprozent als Al₆₅Cu₂₀Fe₁₅ bestimmt ist (zu beachten ist, dass dieser Ausdruck die gesamte Zusammensetzung in Gewichtsprozent angibt, solange dies nicht spezifisch anderweitig angegeben ist). Darüber hinaus enthalten diese Legierungen in einigen Fällen zusätzliche Legierungselemente wie z.B. Chrom, Kobalt und Nickel. Dies ermöglicht es, dass die Legierung an spezifische Betriebsbedingungen angepasst werden kann. Beispielsweise beschreiben DuBois et al. in US-A-5 204 191 verschiedene quasikristalline Phasen enthaltende Al-Cu-Fe-Legierungen.
Unabhängig von ihrer chemischen Zusammensetzung eignen sich Quasikristalle jedoch nicht für eine konventionelle Herstellung. Sie können nicht geformt oder einfach gegossen werden; jedoch können sie zu Pulver reduziert und thermisch gespritzt werden, um einen nützlichen Haftüberzug auszubilden. Soweit jedoch bekannt, hat es keine dieser Legierungen zu einer weit verbreiteten kommerziellen Verwendung gebracht.
Eine Aufgabe dieser Erfindung besteht in der Herstellung eines Al-Cu-Fe-Quasikristalllegierungsüberzugs mit einer verringerten Härte zwecks einer verbesserten Abschleifbarkeit.
Eine weitere Aufgabe dieser Erfindung besteht in der Herstellung eines abschleifbaren Al-Cu-Fe-Quasikristalllegierungsüberzugs mit einer hohen Temperaturstabilität und Oxidationsbeständigkeit.
Zusammenfassung der Erfindung
Bei einem thermischen Spritzüberzug, der mit einer quasikristallinhaltigen Legierung ausgebildet ist, besteht die Legierung im wesentlichen aus 10 bis 45 Gew.% Cu, 7 bis 22 Gew.% Fe, 0 bis 30 Gew.% Cr, 0 bis 30 Gew.% Co, 0 bis 20 Gew.% Ni, etwa 0 bis 10 Gew.% Mo, 0 bis 7,5 Gew.% W, wobei der Rest aus Aluminium mit zufälligen Verunreinigungen besteht. Die Legierung enthält weniger als 30 Gew.% Ψ-Phase und mindestens 65 Gew.% δ-Phase. Der Überzug hat eine Makrohärte von weniger als HR15Y 90.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungs
Der Überzug besteht aus einer verschleißfesten Al-Cu-Fe-Legierung mit weniger als 30 Gew.% Ψ-Phase und mindestens 65 Gew.% δ-Phase, die mit einer Unterschallrate thermisch gespritzt wird, welche ausreicht, um übermäßige Mengen der harten Ψ-Phase zu vermeiden. Vorteilhafterweise enthält die Legierung mindestens etwa 70 Gew.% δ-Phase. Am vorteilhaftesten enthält diese Legierung weniger als etwa 10 Gew.% Ψ-Phase und mindestens etwa 80 Gew.% δ-Phase. Der thermische Spritzüberzug weist eine ausgezeichnete Abschleifbarkeit und Haftfestigkeit auf. Vorteilhafterweise verfügt der Überzug über eine Haftfestigkeit von mindestens etwa 7 MPa (1 ksi). Darüber hinaus enthält diese quasikristalline Legierung Chrom oder Kobalt für die Korrosionsbeständigkeit.
Aluminium, Kupfer, Eisen und Chrom wurden vakuumgeschmolzen und mit Inertgas zerstäubt. Die Analyse des Pulvers ergab 17,5 Gew.% Cu, 13,3 Gew.% Fe, 15,3 Gew.% Cr und Rest Aluminium. Dieses Pulver war vollständig sphärisch und freifließend. Die Tabelle 1 führt typische Eigenschaften des mit Inertgas zerstäubten AlCuFeCr-Quasikristallpulvers nach der Korngrößentrennung auf.
Tabelle 1
Aufgrund der aperiodischen Gitterstruktur der Legierung identifizierte die Röntgendiffraktion (XRD) die Quasikristalle. Die Positionen der Quasikristall- oder Ikosaeder-(Ψ))-Phase liegen ungefähr bei 23, 25, 41, 44, 62,5 und 75 – ein Ikosaeder ist ein Polygon mit 20 Stirnflächen und ein Zehneck ist ein Polygon mit 10 Winkeln und 10 Stirnseiten. Pulver im zerstäubten Zustand wies nur eine kleine Menge an Ψ-Phase auf. Stattdessen herrscht eine zehneckige Phase (δ) vor. Das Vorliegen von zwei Phasen war auf die Kühlrate zurückzuführen, wobei bei der Kühlung ein Übergang von der Flüssig- zu der Festphase auftrat. Die Kühlrate und die nachfolgende Pulverpartikelverfestigung beeinflussten das resultierende Phasenäquilibrium in großem Umfang. Bei sehr schnellen Raten wird das metastabile Ψ ausgebildet. Wenn die Verfestigung verlangsamt wird, bildet sich die δ-Phase oder ihre Approximationen aus. Die an dem Pulver durchgeführte Differentialthermoanalyse (DTA) zeigte eine Schmelztemperatur von etwa 1044° C an.
Bei einer Reduzierung auf ein Pulver ermöglichen diese Quasikristalle ein thermisches Spritzen mit verschiedenen Ausrüstungstypen. Diese beinhalten Plasma, HVOF, Detonation und andere Typen an thermischer Spritzausrüstung. Für dieses Beispiel wurde jedoch Plasma als die einzige Anordnung zum Auftragen verwendet. Die zum Auftragen der Überzüge verwendete Ausrüstung war die Praxair SG-100-Plasmakanone. Die Kanone wurde auf einen ABB IRB 2400-Roboterarm montiert, um das automatische Spritzen zu erleichtern und die Konsistenz sicherzustellen. Der Plasmagenerator wurde für einen Betrieb im Unterschallmodus konfiguriert. Die verwendete Ausrüstung ist in Tabelle 2 aufgeführt.
Tabelle 2
Die Unterschallüberzüge wurden aufgetragen und hinsichtlich ihrer Makrohärte (HR15Y), der Mikrostruktur einschließlich der Dichte und des Oxidgehalts (bestimmt durch die Verwendung einer Bildauswertung), der Oberflächenrauheit, der Röntgendiffraktion für die Phasenverteilung, und eines Zug/Biege-Testens überprüft. Auf der Basis der Makrohärte und Haftfestigkeit wurde ein optimierter Satz an Spritzparametern abgeleitet. Zusammen mit der Kanonenvorschubrate wurden den 6 aktiven und steuerbaren Parametern hohe und niedrige Bereiche zugewiesen. Die Tabelle 3 stellt die gesteuerten Parameter dar.
Tabelle 3
Überzüge aus dem Unterschallüberzug erbrachten eine HR15Y-Verteilung, die von 81,6 bis 85,8 reichte. Unter Aufbau einer Ansprechtabelle wurden Parameter für zwei Überzüge berechnet – ein Überzug für jeden Endbereich des Härtespektrums. Die vorhergesagten Härtegrade betrugen 81,5 (niedrig) und 86,5 (hoch). Beide Parametergruppen wurden gespritzt; die Ergebnisse sind in Tabelle 4 aufgeführt.
Tabelle 4
Die nachstehende Tabelle 5 illustriert die ausgezeichneten Abschleifeigenschaften, die mit dem thermischen Unterschallspritzen der quasikristallinen Legierung bewerkstelligt werden.
Tabelle 5
Basierend auf der porösen Natur dieser Unterschallüberzüge erfolgten keine Versuche zur Testdurchführung der Mikrohärte. Die Röntgendiffraktionsabtastungen an den beiden Unterschallüberzügen schienen ähnlich auszufallen und waren fast ein genaues "Gegenstück" des Ausgangspulvers. Beide Überzüge sind hauptsächlich δ mit einer schwachen Ψ-Spitze bei 42. Die Metallographie des Überzugs zeigte das Vorliegen eines "Trans-Splat"-Springens.
Die nachstehende Tabelle 6 gibt die "ungefähre" Zusammensetzung des thermischen Spritzüberzuges in Gewichtsprozent an.
Tabelle 6
Die Härte- und Haftfestigkeitseigenschaften, auf deren Modifizierungen ursprünglich abgezielt wurde, wurden deutlich verbessert. Beispielsweise verbesserte sich die Härte von HR15N-Pegeln für ein konventionelles thermisches Spritzen auf einen Pegel von weniger als etwa HR15Y 90. Vorteilhafterweise hat die Legierung eine Härte von weniger als etwa HR15Y 85. Am vorteilhaftesten hat die Legierung eine Härte von etwa HR15Y 65 bis 85. Quasikristalle verfügen über eine sehr schlechte Wärmeleitfähigkeit und somit sollte jeder Pegel an zugeführter Wärmeenergie beim Spritzen berücksichtigt werden.
Diese "weichen" Quasikristallüberzüge stellen ausgezeichnete abschleifbare thermische Barriereunterlagen bereit. Darüber hinaus ist es möglich, die Abschleifbarkeit und Schmierfähigkeit mit Zusätzen an Polymeren (wie z.B. Nylons, Polyamiden und Polyestern), Bornitrid, plattiertem Bornitrid (Nickel oder Chrom) und nickelbeschichtetem Graphit zu verbessern.
Der Überzug behält mindestens 65 Gew.% δ-Phase bei und begrenzt die Ψ-Phase auf weniger als 30 Gew.%, um eine weiche abschleifbare Legierung sicherzustellen. Dieser Überzug kann entweder auf metallische oder auf nicht-metallische Substrate gespritzt werden. Schließlich schließt die quasikristalline Legierung leicht Chrom- und Kobaltzusätze für eine verbesserte Hochtemperatur-Oxidationsbeständigkeit ein.

Claims

Thermischer Spritzüberzug, der mit einer quasikristallinhaltigen Legierung gebildet ist, die im wesentlichen aus etwa 10 bis 45 Gew.% Cu, etwa 7 bis 22 Gew.% Fe, etwa 0 bis 30 Gew.% Cr, etwa 0 bis 30 Gew.% Co, etwa 0 bis 20 Gew.% Ni, etwa 0 bis 10 Gew.% Mo, etwa 0 bis 7,5 Gew.% W und Rest Aluminium mit zufälligen Verunreinigungen besteht und weniger als 30 Gew.% ψ Phase und mindestens 65 Gew.% δ Phase enthält, wobei der Überzug eine Makrohärte von weniger als HR15Y 90 hat.
Überzug nach Anspruch 1, wobei der Überzug eine Makrohärte von weniger als etwa HR15Y 85 hat.
Überzug nach Anspruch 1, wobei die Legierung mindestens etwa 70 Gew.% δ Phasen enthält.
Überzug nach Anspruch 1, wobei der Überzug weiche Partikel enthält, die aus der aus Polymeren, Bornitrid, plattiertem Bornitrid und nickelbeschichtetem Graphit bestehenden Gruppe ausgewählt sind.
Thermischer Spritzüberzug, der mit einer quasikristallinhaltigen Legierung gebildet ist, die im wesentlichen aus etwa 12 bis 24 Gew.% Cu, etwa 10 bis 20 Gew.% Fe, etwa 5 bis 25 Gew.% Cr, etwa 0 bis 20 Gew.% Co, insgesamt mindestens etwa 10 Gew.% Cr und Co, etwa 0 bis 15 Gew.% Ni, etwa 0 bis 7,5 Gew.% Mo, etwa 0 bis 6 Gew.% W und Rest Aluminium mit zufälligen Verunreinigungen besteht und weniger als 30 Gew.% ψ Phase und mindestens 65 Gew.% δ Phase, wobei der Überzug eine Makrohärte von weniger als HR15Y 90 aufweist.
Überzug nach Anspruch 5, wobei der Überzug eine Makrohärte von weniger als etwa HR15Y 85 hat und die Legierung mindestens etwa 70 Gew.% δ Phase enthält.
Überzug nach Anspruch 5, wobei der Überzug weiche Partikel enthält, die aus der aus Polymeren, Bornitrid, plattiertem Bornitrid und nickelbeschichtetem Graphit bestehenden Gruppe ausgewählt sind.
Thermischer Spritzüberzug, der mit einer quasi kristallinhaltigen Legierung gebildet ist, die im wesentlichen aus etwa 15 bis 20 Gew.% Cu, etwa 10 bis 16 Gew.% Fe, etwa 10 bis 20 Gew.% Cr, etwa 0 bis 10 Gew.% Co, etwa 0 bis 10 Gew.% Ni, etwa 0 bis 5 Gew.% Mo, etwa 0 bis 5 Gew.% W und Rest Aluminium mit zufälligen Verunreinigungen besteht und weniger als 30 Gew.% ψ Phase und mindestens 65 Gew.% δ Phase aufweist, wobei der Überzug eine Makrohärte von weniger als HR15Y 90 hat.
Überzug nach Anspruch 8, wobei der Überzug eine Makrohärte von etwa HR15Y 65 bis 85 hat und die Legierung weniger als 10 Gew.% ψ Phase und mindestens etwa 80 Gew.% δ Phase enthält.
Überzug nach Anspruch 9, wobei der Überzug weiche Partikel enthält, die aus der aus Polymeren, Bornitrid, plattiertem Bornitrid und nickelbeschichtetem Graphit bestehenden Gruppe ausgewählt sind.