DE60016095T2 - Verfahren zur Überwachung der Dicke und des Aluminiumgehalts von Aluminid-Diffusionsbeschichtungen - Google Patents

Verfahren zur Überwachung der Dicke und des Aluminiumgehalts von Aluminid-Diffusionsbeschichtungen Download PDF

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Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Verfahren zum Bilden von schützenden Diffusions-Aluminidüberzügen. Mehr im Besonderen bezieht sich diese Erfindung auf ein Verfahren zum Regeln der Dicke und des Aluminiumgehaltes eines Diffusionsaluminid-Überzuges durch Regeln der Aluminiumaktivität während des Überzugsverfahrens.
  • Die Betriebsumgebung innerhalb eines Gasturbinen-Triebwerkes ist sowohl thermisch als auch chemisch aggressiv. Signifikante Fortschritte in den Hochtemperatur-Fähigkeiten wurden durch die Entwicklung von Superlegierungen auf Eisen-, Nickel- und Cobaltbasis sowie den Gebrauch von gegenüber der Umgebung oxidationsbeständigen Überzügen, die in der Lage sind, Superlegierungen vor Oxidation, Heißkorrosion usw. zu schützen, erzielt.
  • Diffusions-Aluminidüberzüge haben weite Verwendung für Superlegierungs-Komponenten von Gasturbinen-Triebwerken gefunden. Diese Überzüge werden allgemein durch Verfahren gebildet, wie Diffundieren von durch chemische Dampfabscheidung (CVD) abgeschiedenem Aluminium oder durch Aufschlämmungs-Überziehen oder durch ein Diffusionsverfahren, wie Packzementierung, Überpackung oder Dampf(Gas)phasen-Abscheidung. Wie in 1 gezeigt, hat ein Diffusionsaluminid-Überzug 12 im Allgemein zwei bestimmte Zonen, von denen die äußerste eine Zusatzschicht 16 ist, die ein gegenüber der Umgebung beständiges intermetallisches Material MAl enthalt, wobei M in Abhängigkeit vom Substratmaterial Eisen, Nickel oder Cobalt ist. Das intermetallische MAl-Material ist das Resultat abgeschiedenen Aluminiums und einer Diffusion von Eisen, Nickel oder Cobalt aus dem Substrat 10 nach außen. Unterhalb der Zusatzschicht 16 befindet sich eine Diffusionszone 14, die verschiedene intermetallische und metastabile Phasen umfasst, die sich während der Überziehungsreaktion als ein Resultat von Diffusionsgradienten und Änderungen in der elementaren Löslichkeit in der lokalen Region des Substrates 10 bilden. Während des Aussetzens bei hoher Temperatur in Luft bildet die Zusatzschicht 16 eine schützende Aluminiumoxid-Haut oder -Schicht (nicht gezeigt), die die Oxidation des Diffusions-Überzuges 12 und des darunter liegenden Substrates 10 verhindert.
  • Diffusionsprozesse beinhalten im Allgemeinen das Reagieren der Oberfläche einer Komponente mit einer aluminiumhaltigen Gas-Zusammensetzung. Beispiele solcher Verfahren sind in EP 0 731 187A , US 5,368,888 und US 5,658,614 beschrieben. Bei Packzementierungs-Verfahren wird die aluminiumhaltige Gas-Zusammensetzung durch Erhitzen einer Pulvermischung eines aluminiumhaltigen Quellen(Donator)-Materials, eines Trägers (Aktivators), wie eines Ammonium- oder Alkalimetallhalogenids, und eines inerten Füllstoffes, wie calciniertem Aluminiumoxid, erzeugt. Die Bestandteile der Pulvermischung werden vermischt und dann um die zu behandelnde Komponente gepackt und gepresst, woraufhin die Komponente und die Pulvermischung auf eine genügende Temperatur erhitzt werden, um den Aktivator zu verdampfen und ihn mit dem Quellen material zur Bildung des flüchtigen Aluminiumhalogenids reagieren zu lassen, das dann mit der Oberfläche der Komponente unter Bildung des Diffusionsaluminid-Überzuges reagiert. Aluminiumhaltige Quellenmaterialien für Dampfphasen-Abscheidungsverfahren können Aluminiumlegierungs-Teilchen oder ein Aluminiumhalogenid sein. Ist das Quellmaterial ein Aluminiumhalogenid, dann ist ein separater Aktivator nicht erforderlich. Das Quellenmaterial wird außerhalb des Kontaktes mit der zu aluminierenden Oberfläche angeordnet. Wie bei der Packzementierung, wird das Dampfphasen-Aluminieren (VPA) bei einer Temperatur ausgeführt, bei der das Aluminiumhalogenid an der Oberfläche der Komponente unter Bildung eines Diffusionsaluminid-Überzuges reagiert.
  • Die Rate, mit der sich ein Diffusionsaluminid-Überzug auf einem Substrat entwickelt, ist von der Aluminiumaktivität des Verfahrens abhängig. Im Allgemeinen haben CVD-Verfahren und solche VPA-Verfahren, bei dem das Quellenmaterial in Form von Teilchen (z.B. Klumpen oder Pellets) mit einer festgelegten Legierungs-Zusammensetzung vorliegt, eine konstante Aluminiumaktivität, solange Quellenmaterial und genügend Aktivator verfügbar sind. Im Gegensatz dazu nimmt die Aluminiumaktivität mit der Zeit während der Packzementierung und anderen Überpack-Verfahren als ein Resultat der verringerten Verfügbarkeit des Aluminiumquellen-Materials und/oder des Aktivators unkontrollierbar ab. Als eine weitere Komplikation nimmt die Rate, mit der der Aktivator bei der Packzementierung und Überpack-Verfahren verarmt, mit Anomalien zu, die in Beziehung zum Verfahren stehen, wie ausgedehnten Vorheizzeiten, die häufig zum Erhitzen der großen Pulvermasse erforderlich sind. Als ein Resultat kann die Dicke des Aluminidüberzuges besser mit VPA- und CVD-Verfahren geregelt werden, als mit Packzementierungs- und Überpack-Verfahren. Der Aluminiumgehalt des Überzuges kann jedoch bei existierenden Aluminierungs-Verfahren während des Überziehens nicht zu irgendeinem gewissen Grade geregelt werden.
  • Um sowohl die Enddicke als auch den Aluminiumgehalt eines Aluminidüberzuges zu regeln, wäre die Regelung der Aluminiumaktivität während des Diffusionsverfahrens notwendig. Ein Vorteil der Regelbarkeit von Überzugsdicke und Aluminiumgehalt wäre die Fähigkeit, Überzugswachstum zu minimieren und Beständigkeit gegenüber der Umgebung zu maximieren durch Bereitstellen eines äußeren Aluminidüberzuges, der durch einen relativ geringen Aluminiumgehalt nahe der ursprünglichen Substratoberfläche, aber einen hohen Aluminiumgehalt an der Überzugs-Oberfläche charakterisiert ist. Ein anderer Vorteil bestünde während des Überziehens einer reparierten Komponente, die sowohl nicht überzogene (z.B. neues Reparaturmetall) und überzogene (z.B. unreparierte) Oberflächen aufweist, wo der zusätzliche Überzug auf dem ursprünglichen Überzug zu einer zu großen Überzugsdicke führen würde. Wie oben ausgeführt, mangelt es dem Stande der Technik an einem Verfahren, mit dem die Aluminiumaktivität während des Diffusionsaluminid-Überzugs-Verfahrens genau geregelt werden kann.
  • Gemäß der Erfindung wird ein Verfahren zum Bilden eines Diffusionsaluminid-Überzuges geschaffen, wobei das Verfahren die Stufen aufweist: Anordnen eines Substrates in einer Beschichtungskammer, Bereitstellen eines aluminiumhaltigen Dampfes mit einer im Wesentlichen konstanten Aluminiumaktivität in der Beschichtungskammer, Leiten eines inerten oder reduzierenden Gases in und durch die Beschichtungskammer und Produzieren eines Diffusionsaluminid-Überzuges auf dem Substrat durch in-Berührung-bringen des Substrates mit dem aluminiumhaltigen Dampf, um zu verursachen, dass ein Teil des aluminiumhaltigen Dampfes mit dem Substrat reagiert und Aluminium darauf abscheidet, während die im Wesentlichen konstante Aluminiumaktivität des aluminiumhaltigen Dampfes in der Beschichtungskammer beibehalten wird und während die Rate, mit der das Aluminium auf dem Substrat abgeschieden wird, durch Ändern der Strömungsrate des Gases durch die Beschichtungskammer geregelt wird, sodass ein Teil des unumgesetzten aluminiumhaltigen Dampfes durch das Gas aus der Beschichtungskammer gespült wird, sodass größere Mengen unumgesetzten aluminiumhaltigen Dampfes mit höheren Gasströmungsraten aus der Beschichtungskammer gespült werden.
  • In Anbetracht des Obigen ist das Verfahren dieser Erfindung in der Lage, einen Diffusionsaluminid-Überzug zu produzieren, dessen Dicke genau geregelt werden kann, ebenso wie sein Aluminiumgehalt durch die Überzugsdicke. Als ein Resultat kann ein Diffusionsaluminid-Überzug produziert werden, dessen Dicke und Aluminiumgehalt für eine spezielle Anwendung eingestellt werden können. So kann, z.B., ein Überzug mit einer verringerten Rate des Überzugswachstums und verbesserter Beständigkeit gegenüber der Umgebung als ein Resultat der anfänglichen Abscheidung eines äußeren Aluminid-Überzuges produziert werden, der durch einen relativ geringen Aluminiumgehalt nahe der ursprünglichen Substratoberfläche und einem zunehmenden Aluminiumgehalt zur Überzugsoberfläche hin gekennzeichnet ist.
  • Mit dieser Erfindung ist es auch möglich, einen Diffusionsaluminid-Überzug auf einer Komponente, wie einer Komponente, die Oberflächenreparaturen erfahren hat, zu verjüngen. Unter solchen Umständen wird die Aluminiumaktivität auf einen solchen Bereich eingestellt, dass die Diffusion von Aluminium in das Substrat die die Geschwindigkeit für das Überzugswachstum regelnde Stufe ist. Auf solchen nicht überzogenen (z.B. reparierten) Oberflächen der Komponente ist die treibende Kraft für das Überzugswachstum signifikant, da das Aluminiumniveau durch die Legierungschemie geregelt wird. Für solche Oberflächen der Komponente, die den ursprünglichen Aluminidüberzug beibehalten, ist die treibende Kraft für die Aluminiumabscheidung eine Funktion des Aluminiumniveaus, das im Überzug verblieben ist. Bereiche mit signifikanten Aluminiumniveaus im existierenden Überzug haben minimales Überzugswachstum, während Bereiche mit existierendem Überzug, der an Aluminium verarmt ist, an Aluminiumgehalt bei leichtem Überzugswachstum zunehmen. Als ein Resultat wird eine zu starke Überzugsdicke auf solchen Oberflächen mit dem ursprünglichen Überzug vermieden.
  • Zusätzlich zu den obigen Vorteilen liefert die vorliegende Erfindung ein kostenwirksames Aluminierungs-Verfahren, das verträglich mit vorhandenen Aluminierungs-Verfahren und der Ausrüstung dafür ist. Zusätzlich kann das Verfahren ohne Beeinträchtigen des Verfahrensflusses anderer Komponenten, die die Vorteile dieser Erfindung nicht benötigen, ausgeführt werden.
  • Die Erfindung wird nun detaillierter beispielhaft unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben, in der
  • 1 eine Querschnittsansicht eines Substrates mit einem äußeren Diffusionsaluminid-Überzug ist.
  • Die vorliegende Erfindung ist allgemein anwendbar auf Komponenten, die in thermisch und chemisch aggressiven Umgebungen eingesetzt werden und daher Oxidation und Hitzekorrosion ausgesetzt sind. Bemerkenswerte Beispiele solcher Komponenten schließen die Hoch- und Niederdruck-Turbinendüsen, Schaufeln und Mäntel von Gasturbinen-Triebwerken ein. Während die Vorteile dieser Erfindung unter Bezugnahme auf Gasturbinen-Triebwerke beschrieben werden, sind die Lehren der Erfindung allgemein anwendbar auf irgendeine Komponente, auf der ein Aluminidüberzug benutzt werden kann, um die Komponente vor ihrer Umgebung zu schützen.
  • 1 stellt einen äußeren Diffusionsaluminid-Überzug 12 dar, der nach dem Verfahren der Erfindung hergestellt werden kann. Der Überzug 12 ist als über einem Substrat 10 liegend gezeigt, das typischerweise das Basismaterial der durch den Überzug 12 geschützten Komponente ist. Typische Materialien für das Substrat 10 (und daher die Komponente) schließen Superlegierungen auf Nickel-, Eisen- und Cobalbasis ein, obwohl auch andere Legeirungen benutzt werden können. Der Aluminidüberzug 12 ist im Allgemeinen durch eine Zusatzschicht 16 charakterisiert, die über einer Diffusionszone 14 liegt, wobei die erstere eine oxidationsbeständige intermetallische Mal-Phase enthält, wie die Nickelaluminid-β-Phase (NiAl). Die Zusatzschicht 16 kann andere intermetallische Phasen enthalten, was davon abhängt, ob andere Metalle abgeschieden oder in anderer Weise auf dem Substrat 10 vor dem Aluminieren vorhanden waren. So kann die Zusatzschicht 16, z.B., PtAl2 oder Platin in Lösung in der MAl-Phase enthalten, wenn Platin auf das Substrat 10 aufgebracht worden war. Ein innerer Diffusionsaluminid-Überzug würde sich allgemein von dem äußeren Überzug 12, der in 1 gezeigt ist, dadurch unterscheiden, dass er eine dickere Zusatzschicht aufweist, die sich primär in und unter die ursprüngliche Substratoberfläche erstreckt, der aber ansonsten zusammensetzungsmäßig ähnlich ist. Diffusionsaluminid-Überzüge beider Arten bilden eine (nicht gezeigte) Aluminiumoxidhaut auf ihrer Oberfläche während des Aussetzers gegenüber der Triebwerksumgebung. Die Oxidhaut hemmt die Oxidation des Aluminidüberzuges 12 und des Substrates 10. Eine geeignete Dicke für den Überzug 12 beträgt typischerweise etwa 25 bis 125 μm (etwa 0,001–0,005 Zoll).
  • Gemäß dieser Erfindung wird der Überzug 12 durch eine Aluminierungs-Technik gebildet, die durch eine im Wesentlichen konstante Aluminiumaktivität charakterisiert ist. Während die Dampfphasen-Abscheidung als besonders geeignet zur Anwendung bei dieser Erfindung beschrieben wird, ist es vorhersehbar, dass andere VPA-Verfahren, die eine im Wesentlichen konstante Aluminiumaktivität bereitstellen, benutzt oder zur Verwendung bei dem erfindungsgemäßen Verfahren entwickelt werden könnten.
  • Dampfphasen-Abscheidungsverfahren sind im Stande der Technik bekannt und sie werden konventionell in einer inerten oder reduzierenden Atmosphäre in einer Bechichtungskammer (Retorte) ausgeführt, die die zu überziehende Komponente, ein Aluminiumquellen(Donator)-Material und ein oder mehrere Aktivatoren enthält, die, zusammen mit dem Quellenmaterial, die Überzugsdämpfe (z.B. flüchtiges Aluminiumhalogenid) erzeugen, das an der Oberfläche der Komponente unter Bildung des Diffusionsaluminid-Überzuges reagiert. Bei dieser Erfindung wird jedoch ein Inertgas, wie Argon, oder ein reduzierendes Gas, wie Wasserstoff, mit einer Rate durch die Kammer geleitet, um die Menge unumgesetzten Aluminiums in der Kammer zu ändern, sodass die Überzugsrate und der Aluminiumgehalt des Überzuges eingestellt werden können, um die speziellen Anforderungen des Überzuges zu erfüllen. Das Erhöhen der Gasströmung zur Kammer führt zu größeren Mengen unumgesetzten Aluminiums, die aus der Kammer durch eine Austrittsöffnung herausgespült werden und wirksam die Aluminiumaktivität des Überzugsverfahrens vermindern. Im Gegensatz dazu gestattet das Vermindern der Gasströmung, dass eine größere Menge unumgesetzten Aluminiums in der Kammer verbleibt, was die Aluminiumaktivität des Verfahrens wirksam erhöht. Konventionelle Beschichtungs-Bedingungen können ansonsten benutzt und in der Kammer aufrechterhalten werden, einschießlich des Gebrauches konventioneller Überzugsmaterialien, Überzugs-Temperaturen von etwa 950°C bis etwa 1.150°C und Beschichtungsdauern von etwa zwei bis etwa zehn Stunden.
  • Um diese Erfindung auszuführen, wird die höchst erwünschte Aluminiumaktivität für das Überzugsverfahren durch die Auswahl des Quellenmaterials und des (der) Aktivators(en) für das Überzugsverfahren eingerichtet und die wirksame Aluminiumaktivität zu irgendeiner gegebenen Zeit wird durch Abmessen der Gasströmung in die Kammer geregelt. So sorgen, z.B., die Benutzung eines Quellenmaterials mit einem minimalen Aluminiumgehalt von 25 Gew.-% und der Einsatz von Aluminiumfluorid als dem Aktivator für eine relativ hohe Aluminiumaktivität, die durch Leiten von Argongas durch die Kammer mit einer Minimalrate von etwa 0,283 m3/h (10 SCFH) wirksam vermindert werden kann.
  • Eine Anwendung, bei der das Verfahren dieser Erfindung nützt, ist, wo minimiertes Überzugswachstums-Potential während des Triebwerkbetriebes auf einer Komponente erwünscht ist. Um das Überzugswachstum während des Betriebes zu minimieren, ist ein äußerer Aluminidüberzug bevorzugt, bei dem die Nickeldiffusion während der Überzugsbildung derart ist, dass sie die Interdiffusion von Aluminium aus dem Überzug und von Nickel aus dem Substrat (d.h., das Überzugswachstum) während des nachfolgenden Einsatzes bei erhöhten Temperaturen minimiert ist. Ein hoher Aluminiumgehalt ist jedoch an der Oberfläche des Überzuges erwünscht, um die Beständigkeit gegen die Umgebung zu fördern. In dieser Situation werden Quellenmaterialien und ein oder mehrere Aktivatoren derart ausgewählt, dass eine hohe maximale Aluminiumaktivität während des Überziehens erzielt wird. Während des Überziehens wird eine relativ starke Gasströmung (z.B, etwa 0,57 m3/h (20 SCFH)) ausgewählt, um die Aluminiumaktivität derart wirksam zu vermindern, dass die erwünschte äußere Überzugsstruktur während des Haupteiles des Beschichtens gebildet wird. Die Gasströmungsrate wird dann während des Endes des Überziehens vermindert oder völlig beendet, um die Aluminiumaktivität zu erhöhen und die äußere Oberfläche des Überzuges mit Aluminium anzureichern.
  • In einer anderen Anwendung für diese Erfindung werden Turbinenschaufeln repariert, wenn sie außer Dienst gestellt sind, wofür ein Beispiel die Schweißreparatur einer Schaufelspitze ist. Das neue Metall an der Schaufelspitze erfordert einen vollständigen Überzug, um die für die Schaufel festgelegte minimale Überzugsdicke zu erfüllen. Solche Oberflächenregionen der Schaufel jedoch, die nicht repariert wurden, können noch immer den gesamten oder einen Teil des ursprünglichen Aluminidüberzuges aufweisen und es würde wahrscheinlich die maximal zulässige Dicke übersteigen, wenn dieser den gleichen Überzugsbedingungen wie die nicht überzogenen Regionen ausgesetzt werden würde. Mit dieser Erfindung ist die Gasströmung in die Beschichtungskammer einstellbar, um das Überzugswachstum auf den bloßen Metalloberflächen der Schaufel zu fördern, während das Überzugswachstum auf den überzogenen Oberflächen minimiert wird.
  • Während einer Untersuchung, die zu dieser Erfindung führte, wurden Turbinenschaufeln mit durch Diffusionsaluminid- und Platinaluminid-Überzügen überzogenen Oberflächen und nicht überzogenen Oberflächen unter Einsatz von CrAl-Legierung als dem Quellenmaterial und Aluminiumfluorid als dem Aktivator in einer Retorte behandelt, wobei ein Volumen von etwa 1,13 m3 Argongas mit Raten zwischen etwa 0,3 und etwa 0,9 m3/h (10 und 30 SCFH) in die Retorte geleitet wurde, während die Schaufeln durch Dampfphasen-Aluminieren bei etwa 1.038 bis 1.080°C über eine Dauer von zwei bis sechs Stunden überzogen wurden. Die Aluminiumaktivität innerhalb der Retorte wurde durch die Aluminiumquelle und den Aktivator derart eingestellt, dass die Diffusion von Aluminium in die bloßen Oberflächen der Schaufeln die maximale Überzugswachstumsrate bestimmte, während die Gasströmungsrate durch die Retorte derart eingestellt wurde, das Überzugswachstum auf den überzogenen Regionen der Schaufeln zu minimieren. Als ein Resultat fielen die Enddicken der Aluminidüberzüge in die Minimal- und Maximal-Grenzen, die für die Schaufeln festgelegt wurden.

Claims (8)

  1. Verfahren zum Bilden einer Diffusionsaluminidbeschichtung (12), wobei das Verfahren die Schritte enthält: Anordnen eines Substrats (10) in einer Beschichtungskammer, Bereitstellen in der Beschichtungskammer eines aluminiumhaltigen Dampfes mit einer im wesentlichen konstanten Aluminiumaktivität, Leiten eines inerten oder reduzierenden Gases in und durch die Beschichtungekammer und Erzeugen einer Diffusionsaluminidbeschichtung (12) auf dem Substrat durch Kontaktieren des Substrates mit dem aluminiumhaltigen Dampf, damit ein Teil von dem aluminiumhaltigen Dampf mit Aluminium reagiert und auf dem Substrat abgeschieden wird, während die im wesentlichen konstante Aluminiumaktivität des aluminiumhaltigen Dampfes in der Beschichtungskammer beibehalten wird und während die Rate gesteuert wird, mit der das Alumnium auf dem Substrat abgeschieden wird, indem die Strömungsrate des Gases durch die Beschichtungskammer geändert wird, so dass ein Teil von dem unreagierten aluminiumhaltigen Dampf durch das Gas aus der Beschichtungskammer gespült wird und so dass grössere Mengen des unreagierten aluminiumhaltigen Dampfes mit höheren Gasströmungsraten aus der Beschichtungskammer gespült werden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Verfahren ein Dampfphasen-Abscheidungsverfahren ist.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Substrat (10) eine Superlegierung ist.
  4. Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Dampfphasen-Abscheidungsverfahren bei 950°C bis 1150°C für eine Dauer von zwei bis zehn Stunden ausgeführt wird.
  5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Substrat (10) eine Gasturbinen-Triebwerkskomponente ist.
  6. Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Gasströmungsrate durch die Beschichtungskammer verkleinert wird, während die Diffusionsaluminidbeschichtung (12) erzeugt wird, so dass die Diffusionsaluminidbeschichtung (12) einen höheren Aluminiumgehalt an ihrem äusseren Abschnitt als an ihrem inneren Abschnitt hat.
  7. Verfahren nach Anspruch 2, wobei vor dem Aluminisierungsschritt ein erster Oberflächenabschnitt von dem Substrat (12) eine Diffusionsaluminidbeschichtung (12) hat und ein zweiter Oberflächenabschnitt von dem Substrat (12) frei von jeder Diffusionsaluminidbeschichtung ist.
  8. Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Gas Argon ist und die Gasströmungsrate von 3,05 m3/h (10SCFH) bis 9,15 m3/h (30 SCFH) beträgt.
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