-
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.