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Die
Erfindung betrifft allgemein metallurgische Verfahren. Insbesondere
ist sie gerichtet auf Behandlungsverfahren für Substrate auf Metallbasis.
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Eine
Vielzahl von speziell formulierten Beschichtungen wird oftmals verwendet,
um Metallteile zu schützen,
die hohen Temperaturen ausgesetzt sind, z.B. Metallteile, die aus
Superlegierungen gemacht sind. Z.B. werden oftmals Aluminidbeschichtungen
verwendet, um Superlegierungen Oxidations- und Korrosionsbeständigkeit
zu verleihen, die als eine Bindeschicht zwischen dem Superlegierungssubstrat
und einer thermischen Barrierebeschichtung (TBC) dienen können.
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In
einem Verfahren zur Ablagerung einer Aluminidbeschichtung wird eine
sehr dünne
Schicht Platin (z.B. etwa 1–6
Mikron) zunächst
auf die Substratoberfläche
durch Elektroplattieren aufgebracht und dann wird ein Aluminidmaterial
durch Dampfablagerungsverfahren aufgebracht. Das Aluminium reagiert
mit dem Platin und mit dem Substratmaterial (z.B. Nickel), um eine
Vielzahl von intermetallischen Verbindungen, wie z.B. Platinaluminid
und Nickelaluminid, zu bilden. Bei Aussetzen gegenüber Oxidation
bildet sich auf der Oberfläche des
Aluminids ein Aluminiumoxid(Alumina)film, der als eine Barriere
gegen weitere Reaktionen mit Umgebungsbestandteilen dient, wobei
die Integrität
des Substrates aufrechterhalten wird.
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Manchmal
ist es notwendig, die Aluminidbeschichtung zu reparieren. Z.B. werden
auf Turbinenmaschinenteile aufgebrachte Beschichtungen häufig repariert,
wenn die Turbine selbst überholt
wird. Der Reparaturprozess kann verschiedene Schritte umfassen,
einschließlich
strippen der Aluminidbeschichtung und Ablagerung einer neuen Aluminidbeschichtung
in dem betroffenen Bereich. Gemäß derzeitiger
Praxis werden die Aluminidmaterialien oftmals durch Behandeln mit
einer Säure,
wie z.B. Salzsäure,
Salpetersäure
oder Phosphorsäure,
von dem Substrat gestrippt.
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Die
vorliegenden Erfinder haben Nachteile erkannt, die mit der Verwendung
der verschiedenen Strippingzusammensetzungen wie oben erwähnt zusammenhängen. Häufig ist
die Gesamtprozedur zeitaufwändig, wobei
sie so viel wie 4 bis 6 Stunden Kontaktzeit mit den Strippingzusammensetzungen
und mit Spüllösungen erfordert.
Darüber
hinaus entfernen einige der Strippingzusammensetzungen nicht ausreichende
Mengen des Aluminidmaterials und weitere Zeit und Anstrengung sind
erforderlich, um die Entfernung zu vervollständigen. Darüber hinaus haben einige der
Zusammensetzungen geringe Selektivität, wie durch Angriff des Basismetalls des
Substrats gezeigt wird, was das Substratbasismetall anfrisst oder
das Metall über
interkristallinen Grenzangriff (intergranular boundary attack) beschädigt.
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Weiterhin
müssen
viele der derzeit verwendeten Strippingzusammensetzungen bei erhöhten Temperaturen
verwendet werden, d.h. oberhalb von etwa 77°C. Arbeiten bei diesen Temperaturen
können
Maskierungsmaterialien angreifen, die verwendet werden, um ausgewählte Abschnitte
des Teiles zu schützen,
z.B. Flügelfüße oder
innere Oberflächen,
während
auch Energiekosten erhöht
werden und möglicherweise
zusätzliche
Sicherheitsvorkehrungen erforderlich sind.
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Darüber hinaus
erfordern einige der Verfahren gemäß Stand der Technik starkes
Sandstrahlen vor der Behandlung, um die Substratoberfläche aufzurauen,
und nach der Behandlung mit den Strippingzusammensetzungen. Diese
Schritte können
zeitaufwändig
sein und ebenfalls das Substrat beschädigen, wobei die Lebensdauer
eingeschränkt
wird.
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GB-A-1565107
offenbart ein Verfahren zum Strippen von Aluminidbeschichtungen
unter Verwendung einer Mischung von Sulfaminsäure und Salpetersäure.
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Es
ist somit offensichtlich, dass neue Verfahren zur Entfernung von
Materialien auf Aluminidbasis von Metallsubstraten im Stand der
Technik willkommen wären.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Entfernung einer
Aluminidbeschichtung von einer Oberfläche eines Substrates, aufweisend
die Schritte:
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In
Kontakt bringen der Oberfläche
des Substrats mit zumindest einer Strippingzusammensetzung, wobei
die genannte Strippingzusammensetzung (1) eine aliphatische Sulfonsäure oder
aromatische Sulfonsäure aufweist,
ausgewählt
aus Benzolsulfonsäure,
Toluolsulfonsäure
und Naphthalinsulfonsäure,
und (2) zumindest ein Additiv, wobei das
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Additiv
ausgewählt
wird aus der Gruppe bestehend aus
- a. sekundären Säuren, ausgewählt aus
der Gruppe bestehend aus Salpetersäure, Salzsäure, Phosphorsäure, Perchlorsäure, Trifluormethansulfonsäure (Triflicsäure), Trifluoressigsäure, Schwefel-,
Bor-, hypophosphorige Säure
und Kombinationen davon,
- b. Komplexierungsmitteln, ausgewählt aus der Gruppe bestehend
aus Halogeniden, Oxyhalogeniden, Sulfaten, Phosphaten, Nitraten,
substituierten Aromaten, einschließlich Nitro-, Hydroxy-, Carboxyl-
und Sulfatsubstitutionen, sowie ihre Kombinationen, und substituierte
Alkylcarbonsäuren
und
- c. Reduktionsmitteln, ausgewählt
aus der Gruppe bestehend aus Erdalkalihydroxiden, Al(OH)3, Boraten, Phosphaten, Natriumhypophosphit,
Silikaten, Aluminaten, Na3AlF6,
Na2SiF6 und Na2SiO3 und
Entfernen
der Beschichtung.
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1 ist
eine Mikroaufnahme eines Querschnitts einer Platinaluminidbeschichtung,
aufgebracht auf ein Superlegierungssubstrat, nach einer Stufe der
Behandlung.
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2 ist
eine Mikroaufnahme des Querschnitts aus 1 nach einer
weiteren Stufe der Behandlung.
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3 ist
eine Mikroaufnahme des Querschnitts aus 2 nach einer
weiteren Stufe der Behandlung.
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So
wie hier verwendet, bezieht sich „selektive Entfernung" der Aluminidbeschichtung
auf die Entfernung eines relativ großen Prozentanteils des Aluminid
enthaltenden Materials, während
lediglich ein sehr geringer Anteil (oder keiner) des Substratmaterials
entfernt wird.
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Die
Bezeichnung „Aluminid
enthaltend" ist
in diesem Zusammenhang so gemeint, dass eine Vielzahl von Materialien,
die typischerweise in Beschichtungsmetalllegierungen (insbesondere
Superlegierungen) verwendet werden, enthalten ist, oder die während oder
nach dem Beschichtungsprozess gebildet werden. Nicht einschränkende Beispiele
enthalten Aluminid selbst, Platinaluminid, Nickelaluminid, Platinnickelaluminid,
feuerfest dotierte Aluminide, oder Legierungen, die eine oder mehrere
von solchen Verbindungen enthalten. Um der Kürze willen wird „Aluminid
enthaltend" hier
manchmal einfach als „Aluminid"-Material bezeichnet.
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Die
Wahl einer speziellen Strippingzusammensetzung wird von verschiedenen
Faktoren abhängen, wie
z.B. der Art des Substrats, der Art der von dem Substrat zu entfernenden
Aluminidbeschichtung, der beabsichtigten Endverwendung des Substrats
und der Gegenwart oder Abwesenheit von zusätzlichen Behandlungsschritten
(z.B. Waschschritten).
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Die
Strippingzusammensetzungen weisen (1) eine aliphatische oder aromatische
Sulfonsäure
auf. Beispiele für
geeignete aliphatische Sulfonsäuren
sind Methansulfonsäure
(MSA) und Ethansulfonsäure,
wobei Methansulfonsäure
bevorzugt ist. Die aromatischen Sulfonsäuren sind ausgewählt aus
Benzolsulfonsäure, Toluolsulfonsäure und
Naphthalinsulfonsäure.
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So
wie hier verwendet betrifft „gleichförmige Korrosion" die Entfernung einer
dünnen
Schicht des Substrats, üblicherweise
weniger als etwa 2 Mikron Dicke. Gleichförmige Korrosion und leichtes
Anfressen sind keine signifikanten Rückschläge für einige Endverwendungen des
Substrats. Dies steht im Gegensatz zum Auftreten von ernsthaftem „Anfressen" (oftmals im Stand
der Technik zu sehen), das in Löchern
in dem Substrat resultiert, oftmals bis zu einer Tiefe von zumindest
etwa 25 Mikron und üblicherweise
bis zu einer Tiefe bis zu dem Bereich von etwa 25 Mikron bis etwa
500 Mikron.
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In
einigen Ausführungsformen
umfasst die Strippingzusammensetzung weiterhin ein Benetzungsmittel.
Das Benetzungsmittel reduziert die Oberflächenspannung der Zusammensetzung,
was besseren Kontakt mit dem Substrat und der Beschichtung auf Aluminidbasis
erlaubt. Anschauliche Benetzungsmittel sind Polyalkylenglykole,
Glycerin, Fettsäuren,
Seifen, Emulgatoren und Tenside. Das Benetzungsmittel ist üblicherweise
in einer Menge in dem Bereich von etwa 0,1 Gew.-% bis etwa 5 Gew.-%,
basierend auf dem Gesamtgewicht der Zusammensetzung, vorhanden.
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Andere
Additive werden manchmal in der Strippingzusammensetzung verwendet.
Z.B. werden manchmal Inhibitoren verwendet, um die Protonenkonzentration
zu reduzieren und damit die Aktivität der Säure in der Zusammensetzung
zu reduzieren. Die reduzierte Aktivität wiederum verringert das Potenzial
gegenüber
Anfressen der Substratoberfläche.
Ein beispielhafter Inhibitor ist eine Lösung aus Natriumsulfat in Schwefelsäure oder
eine Lösung
aus Natriumchlorid in Salzsäure.
Der Gehalt an verwendetem Inhibitor liegt üblicherweise bei etwa 1 Gew.-%
bis etwa 15 Gew.-%, basierend auf dem Gewicht der vollständigen Strippingzusammensetzung.
Darüber
hinaus werden manchmal Oxidationsmittel in der Strippingzusammensetzung
verwendet, um der Bildung einer reduzierenden Umgebung vorzubeugen.
Beispiele beinhalten Peroxide (z.B. Wasserstoffperoxid), Chlorate,
Perchlorate, Nitrate, Permanganate, Chromate und Osmate (z.B. Osmiumtetroxid). Der
Gehalt der verwendeten Oxidationsmittel liegt üblicherweise bei etwa 0,01
Gew.-% bis etwa 5 Gew.-%, basierend auf dem Gewicht der vollständigen Strippingzusammensetzung.
In einer Ausführungsform
wird das Oxidationsmittel mit Säuren
verwendet, die Reduktionsmittel sind, z.B. Salzsäure.
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Die
aliphatische(n) oder aromatische(n) Schwefelsäure(n) (1) wird (werden) mit
einem Additiv oder Additiven kombiniert, um die Wirksamkeit der
Einwirkung der Strippingzusammensetzung zu erhöhen. Das Additiv wird ausgewählt aus
der Gruppe bestehend aus sekundären
Säuren,
Reduktionsmitteln und Komplexierungsmitteln. Oxidationsmittel können ebenfalls
wahlweise zugegeben werden. Das Additiv beeinträchtigt wünschenswerterweise die Eigenschaften
der Strippingzusammensetzung, insbesondere seine Protonenaktivität. Z.B.
kann die sekundäre
anorganische Säure
die Beschichtungsentfernungsrate erhöhen, indem die Protonenkonzentration
(pH) in der Lösung
erhöht
wird. Die Reduktions- und Oxidationsmittel modifizieren die Aktivität oder das
Potenzial der Lösung.
Das Komplexierungsmittel beeinträchtigt
die Protonenkonzentration durch Komplexierung mit Bestandteilen
in Lösung,
wie z.B. Metallionen, gebildet durch Oxidation von Bestandteilen
der Aluminidbeschichtung.
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Die
Verwendung von solchen Additiven kann in Kombination mit einer besonderen
erstklassigen Säure,
wie z.B. MSA (Methansulfonsäure)
vorteilhaftsein. Wie eingehender unten mit Bezug auf die hier vorhandenen
Beispiele beschrieben, sind Strippingzusammensetzungen, die MSA
in wässriger
Lösung
enthalten, insbesondere wirksam bei der Entfernung von Aluminiden,
die Platin enthalten. Die Wirksamkeit der erstklassigen Säuren wird
weiterhin verbessert durch die Verwendung von Additiven gemäß vorliegender
Erfindung, insbesondere zur Entfernung von nicht Platin enthaltenden
Aluminidbeschichtungen, d.h. Bereichen einer Aluminidbeschichtung,
die frei von Platin sind. Nicht Platin enthaltende Aluminide sind
manchmal entlang von Bereichen eines Substrates vorhanden, wie z.B.
entlang eines Spitzenbereiches einer Turbinenschaufel, die unter
Verwendung von bekannten Schweißtechniken
repariert wurde, wobei eine Platinschicht nicht als erstes abgelagert
wurde.
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Geeignete
Lösungsmittel
beinhalten Alkohole (z.B. Ethanol, Isopropanol), substituierte Alkylether
(Dihydroxethylether, Di(propylen/ethylenglykol)methylether, Diethylenglykolmonobutylether),
substituierte Ketone (z.B. Aceton, 1,5-Dihydroxypentan-3-one, 1-Methyl-2-pyrrolidon)
oder Glykole (z.B. Polyethylenglykol, Glycerin, Dimethylenglykol,
Ethylenglykol). In einer Ausführungsform
ist das Lösungsmitteladditiv
in einer Menge von etwa 1–55
Gew.-% vorhanden, wie z.B. 10–40
Gew.-%, und bevorzugt etwa 20–35
Gew.-% der Gesamt-Strippingzusammensetzung.
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Geeignete
Oxidationsmittel umfassen Nitrat- und salpetrige Salze, Chloridsalze,
Hydride und Fluoridsalze, Sulfate, Sulfate, Sulfidsalze, Phosphate
und Phosphitsalze, Boratsalze, Fluoraluminat- und Chloraluminatsalze,
Oxyhalogenidsalze, Peroxide, Chromatsalze und Manganatsalze. In
einer Ausführungsform
ist das Oxidationsmitteladditiv in einer Menge von etwa 1–30 Gew.-%,
wie z.B. 2–20
Gew.-% und bevorzugt etwa 2–15 Gew.-%
(basierend auf 100% Konzentration des Oxidationsmittels) der Gesamt-Strippingzusammensetzung vorhanden.
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Das
organische Komplexierungsmitteladditiv umfasst zwei Kategorien,
substituierte aromatische (z.B. Nitro-, Hydroxy-, Carboxyl- und
Sulfatsubstitutionen an verschiedenen Stellen an dem aromatischen
Ring, sowie ihre Kombinationen) und substituierte Alkylcarbonsäuren (z.B.
Weinsäure,
Zitronensäure,
Oxalsäure).
Das anorganische Komplexierungsmitteladditiv umfasst Halogenide,
Oxyhalogenide, Sulfate, Phosphate und Nitrate. In einer Ausführungsform
ist das anorganische oder anorganisch komplexierende Additivmittel
in einer Menge von etwa 1–10
Gew.-%, wie z.B. etwa 1–5
Gew.-%, der Gesamt-Strippingzusammensetzung vorhanden.
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Das
sekundäre
Säureadditiv
wird ausgewählt
aus der Gruppe bestehend aus Salpeter-, Salz-, Phosphor-, Perchlor-,
Triflic- und Trifluoressigsäuren,
Schwefel-, Bor-, Hypophosphorsäure,
sowie Kombinationen davon. In einer Ausführungsform ist das sekundäre Säureadditiv
in einer Menge von etwa 0,1–10
Gew.-% (basierend auf 100% Konzentration) der Gesamt-Strippingzusammensetzung
vorhanden. In Kombination mit der sekundären Säure kann auch ein Reduktionsmittel
eingebracht werden. In einer Ausführungsform umfassen die Reduktionsmittel
Additivmaterialien mit hohen Redoxpotenzialen, einschließlich z.B.
Erdalkalihydroxide, Al(OH)3, Borate, Phosphate,
Silikate, Aluminate, Na3AlF6,
Na2SiF6 und Na2SiO3, die in einer
Menge von 0,1–10 Gew.-%,
wie z.B. 0,1–5
Gew.-% vorhanden sind. Ein spezielles Beispiel ist Hypophosphit,
wie z.B. Natriumhypophosphit.
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Im
Allgemeinen werden die oben genannten Additive zu einer wässrigen
Lösung
zugegeben, enthaltend zumindest eine Schwefelsäure. In einer Ausführungsform
ist die Säure
in der Strippingzusammensetzung innerhalb eines Bereiches von etwa
10–80
Gew.-%, wie z.B. etwa 30–45
Gew.-% der Gesamt-Strippingzusammensetzung einschließlich Additiven
vorhanden.
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Die
spezielle Strippingzusammensetzung kann auf das Substrat über eine
Vielzahl von Wegen aufgebracht werden. Z.B. kann sie auf die Oberfläche gebürstet oder
gesprüht
werden. Sehr oft ist Eintauchen des Substrats in ein Bad aus der
Strippingzusammensetzung die am besten praktikable Technik. Das
Bad wird vorzugsweise bei einer Temperatur von etwa 170°F (77°C) gehalten,
während
das Substrat darin eingetaucht wird. In einer speziellen Ausführungsform
wird das Bad bei einer Temperatur unterhalb von etwa 130°F (45°C) gehalten.
Das Verfahren kann bei Raumtemperatur ausgeführt werden, obwohl üblicherweise
ein höherer Temperaturbereich
aufrechterhalten wird, um die Prozesskonsistenz sicherzustellen,
wenn die Raumtemperatur variabel ist. Höhere Temperaturen (in den o.
a. Grenzen) resultieren manchmal in schnellerer Entfernung der Aluminidbeschichtung.
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Im
Allgemeinen ist aber ein Vorteil der erfindungsgemäßen Ausführungsformen,
dass Badtemperaturen niedriger sind als solche im Stand der Technik.
Verwendung der niedrigeren Temperaturen gemäß dem vorliegenden Verfahren
schützt
die Maskierungsmaterialien, die oftmals vorhanden sind, so wie zuvor
diskutiert. Die niedrigeren Temperaturen stellen auch Kosteneinsparungen
in Bezug auf die Energieverwendung dar, während auch einige der Sicherheitsgefahren
im Zusammenhang mit Hochtemperaturbädern, z.B. in solchen Situationen,
wenn flüchtige
Bestandteile in den Bädern
vorhanden sind, reduziert werden.
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Die
Bäder,
welche die Strippingzusammensetzungen enthalten, werden oftmals
gerührt
oder auf andere Art und Weise bewegt, während das Verfahren ausgeführt wird,
um maximalen Kontakt zwischen dem Strippingmittel und der zu entfernenden
Beschichtung zu erlauben. Eine Vielzahl von bekannten Techniken kann
zu diesem Zweck verwendet werden, so wie die Verwendung von Flügeln, Ultraschallbewegung,
magnetischer Bewegung, durchblubbern von Gas oder Zirkulationspumpen.
Eintauchzeit in dem Bad variiert, basierend auf vielen der oben
diskutierten Faktoren. In kommerziellem Maßstab wird die Eintauchzeit üblicherweise von
etwa 15 Min. bis etwa 400 Min. rangieren. In einigen Ausführungsformen
wird die Eintauchzeit eine Zeitdauer von weniger als etwa 150 Min.
sein. In besonderen Ausführungsformen
wird die Eintauchzeit ein Zeitraum von weniger als etwa 75 Minuten
sein.
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Behandlung
mit der Strippingzusammensetzung verursacht, dass die Aluminidbeschichtung
auf der Oberfläche
des Substrates abgebaut wird. Wie in der Mikrofotografie in 1 gezeigt,
sind tiefe Risse in der Beschichtung offensichtlich, ihre Integrität hat sich
verringert und ihre Haftung auf dem Substrat hat wesentlich abgenommen.
In einigen Ausführungsformen
wird die Oberfläche
dann kurz abgespült,
z.B. durch Eintauchen in Wasser oder eine wässrige Lösung für weniger als etwa 1 Minute.
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Die
abgebaute Beschichtung wird dann ohne Beschädigung des Substrats entfernt.
In einer Ausführungsform
wird dieser Schritt ausgeführt
durch Abschleifen der Substratoberfläche. Im Gegensatz zu Verfahren
gemäß Stand
der Technik umfasst diese Ausführungsform
einen „schonenden" Abschleifschritt,
der die Beschädigung
des Substrates minimiert. Als ein Beispiel kann leichtes Sandstrahlen
ausgeführt
werden, indem ein Pressluftstrom, enthalten Siliziumcarbidteilchen,
bei einem Druck von weniger als etwa 552 kPa (80 psi) und vorzugsweise
weniger als etwa 414 kPa (60 psi), wie z.B. weniger als etwa 276
kPa (40 psi) über
die Oberfläche
gerichtet wird. Verschiedene Schleifteilchen können für das Sandstrahlen verwendet
werden, z.B. Metalloxide, wie Aluminiumoxid, Carbide, wie z.B. Siliziumcarbid,
gemischte Metalloxide, Nitride, Glaskugeln, gemahlenes Glas, Natriumcarbonat
und gemahlener Maiskolben. Die mittlere Teilchengröße sollte
weniger als etwa 500 Mikron sein und vorzugsweise weniger als etwa
100 Mikron.
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Das
Sandstrahlen wird für
einen Zeitraum ausgeführt,
der ausreicht, um die abgebaute Beschichtung zu entfernen. Die Dauer
des Sandstrahlens in dieser Ausführungsform
hängt von
verschiedenen Faktoren ab. In dem Fall einer Aluminidbeschichtung
mit einer abgelagerten Dicke von etwa 50 Mikron bis etwa 100 Mikron wird
Sandstrahlen üblicherweise
für etwa
60 Sekunden bis etwa 120 Sekunden ausgeführt, wenn ein Luftdruck von
etwa 138 kPa (20 psi) bis etwa 207 kPa (30 psi) verwendet wird und
wenn Strahlteilchen von weniger als etwa 100 Mikron verwendet werden.
Diese Parameter stellen eine geeignete Richtlinie für jede Art
der oben angegebenen Strippingzusammensetzungen zur Verfügung.
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Andere
bekannte Techniken für
leichtes Abschleifen der Oberfläche
können
anstelle von Sandstrahlen verwendet. Z.B. kann die Oberfläche manuell
mit einem Faserblock, z.B. einem Block mit polymeren, metallischen
oder keramischen Fasern abgeschrubbt werden. Alternativ kann die
Oberfläche
mit einem flexiblen Rad oder Riemen poliert werden, indem Aluminiumoxid-
oder Siliziumcarbidteilchen eingebettet wurden. Flüssige abrasive
Materialien können
alternativ auf den Rädern
oder Riemen verwendet werden. Z.B. können sie auf ein Rad in einem
Dampfhonverfahren aufgesprüht
werden. (Das abrasive Material sollte eines sein, welches das Substrat
nicht nachteilig beeinträchtigt.)
Diese alternativen Techniken sollten in einer Art und Weise kontrolliert
werden, dass eine Kontaktkraft gegen die Substratoberfläche aufrechterhalten
wird, die nicht größer ist,
als die Kraft, die in der oben diskutierten schonenden Sandstrahltechnik
verwendet wird.
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Andere
Techniken können
anstelle von Abschleifen verwendet werden, um das abgebaute Material
zu entfernen. Ein Beispiel ist Laserablation der Oberfläche. Alternativ
kann das abgebaute Material von der Oberfläche gekratzt werden. Als noch
eine weitere Alternative können
Schallwellen (z.B. Ultraschall) direkt gegen die Oberfläche gerichtet
werden. Die Schallwellen, die aus einem Ultraschallhorn entstammen
können,
verursachen Vibrationen, welche das abgebaute Material losschütteln können.
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In
einigen Fällen
kann die abgebaute Beschichtung durch aggressives Rühren, z.B.
Rühren
mit einer Kraft, die größer ist
als jene, die mit der Ultraschalltechnik selbst erzeugt wird, entfernt
werden. Z.B. kann das Substrat in ein Bad eingetaucht werden, das
schnell mit einem mechanischen Rührer
gerührt
wird (d.h. zur „allgemeinen
Bewegung") und das
ebenfalls ultraschallgerührt
wird (d.h. zur „lokalen
Bewegung"). Bewegen wird
ausgeführt,
bis das abgebaute Material losgeschüttelt ist.
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Für jede dieser
alternativen Techniken sind Fachmänner mit den Betriebseinstellungen
vertraut, die vorgenommen werden, um die relevante Kraft, die auf
das Substrat aufgebracht wird (wie in dem Fall der Abrasionstechnik)
zu kontrollieren, um Beschädigungen
der Substratoberfläche
zu minimieren.
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In
einigen wahlweisen Ausführungsformen
ist es erwünscht,
einen ausgedehnten Abspülschritt
zwischen Schritt (a) und Schritt (b) einzuschließen. Dieser Schritt umfasst
das in Kontakt bringen der abgebauten Aluminidbeschichtung mit einer
wässrigen
Lösung,
aufweisend Wasser und ein Benetzungsmittel wie jene, die zuvor beschrieben
sind. Bevorzugte Benetzungsmittel für diesen Schritt sind Polyalkylenglykole,
wie z.B. Polyethylenglykol. Sie sind üblicherweise in einer Menge
von etwa 0,1% bis etwa 5 Gew.-% vorhanden, basierend auf dem Gesamtgewicht
der Abspüllösung. Abspülen kann
ausgeführt
werden durch eine Vielzahl von Techniken, wird jedoch üblicherweise
durch Eintauchen des Substrats in ein bewegtes Bad der Abspüllösung für etwa 1
Minute bis etwa 30 Minuten unternommen.
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Mit
Bezugnahme auf 2 kann man sehen, dass der ausgedehnte
Abspülschritt
die in 1 gezeigten Klumpen von Aluminidteilchen entfernt.
In diesem Fall wird die verbleibende dünne Schicht oder mehr zusammenhängendes
Aluminidmaterial ausschließend
in einem Abschleifschritt, wie z.B. durch Sandstrahlen, entfernt.
Die Verwendung des ausgedehnten Abspülschritts verringert üblicherweise
die Zeit die erforderlich ist, um den Abschleifschritt auszuführen.
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Für den anschaulichen
Satz von Sandstrahlparametern wie oben beschrieben, kann die Zeit
beispielsweise auf einen Zeitraum von etwa 5 Sekunden bis etwa 45
Sekunden reduziert werden. Die Verwendung der alternativen Techniken
für Schritt
(b) kann in der Eliminierung von jeglichem Abschleifschritt wie
zuvor diskutiert resultieren.
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Nach
dem Sandstrahlen wird üblicherweise
Druckluft quer über
das Substrat geblasen, um alle restlichen Aluminidteilchen oder
abrasiven Teilchen zu entfernen. Das Substrat kann dann mit jedem
gewünschten Material
wieder beschichtet werden. Z.B. können Platinaluminidschutzbeschichtungen
für Maschinenteile
wiederum auf die hochqualitative Oberfläche der Superlegierung aufgebracht
werden, die in den früheren
Stufen der Beschichtungsreparatur im Wesentlichen unbeeinträchtigt verblieben
ist.
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Das
Substrat, auf dem die Aluminidbeschichtung abgelagert wird, kann
jedes metallische Material oder Legierung sein, die typischerweise
durch eine thermische Barrierenbeschichtung geschützt wird.
Oftmals ist das Substrat eine wärmebeständige Legierung,
wie z.B. eine Superlegierung, einschließlich Nickelbasis-, Kobaltbasis-
und Eisenbasis-Hochtemperatur-Superlegierungen. Typischerweise ist
die Superlegierung ein Material auf Nickelbasis oder ein Material
auf Kobaltbasis, wobei Nickel oder Kobalt das einzeln größte Element
nach Gewicht in der Legierung ist. Anschauliche Legierungen auf
Nickelbasis werden durch die Handelsnamen Inconel®, Nimonic®,
Rene® (z.B.
Rene® 80-,
Rene® 125,
Rene® 142
und Rene®-N5-Legierungen)
und Udimet® bezeichnet.
Die Art von Substrat kann weit variieren, hat jedoch oftmals die
Form eines Düsentriebwerkteils,
wie z.B. eine Flügelkomponente.
Als ein breiteres Beispiel kann das Substrat der Kolbenboden eines Dieselmotors
oder irgendeine andere Oberfläche
sein, die eine wärmebeständige Barrierenbeschichtung
mit einer im Wesentlichen glatten Oberfläche erfordert.
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Beispiele
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Jedes
der folgenden Testbeispiele 1–5
ist ein Knopf, hergestellt aus einer Superlegierung auf Nickelbasis,
Rene® N-5,
mit einer Dicke von 0,125 Inch (0,32 cm) und einem Durchmesser von
1 Inch (2,4 cm). Vor dem Ablagern der Aluminidbeschichtung, werden
die Knöpfe
mit Aluminiumoxid sandgestrahlt und gereinigt. Die Oberfläche von
jedem Knopf wird mit Platin bis zu einer Tiefe von etwa 7,5 Mikron
elektroplattiert, gefolgt von Diffusionsaluminidieren der Oberfläche bis
zu einer Tiefe bis zu etwa 50 Mikron.
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Beispiel 1 (Vergleich)
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Probe
1 wird gemäß einem
Verfahren nach Stand der Technik behandelt, welches 2 Schritte einschließt, die
Strippingzusammensetzungen umfassen. In dem ersten Schritt wird
einer der Knöpfe
in ein Bad eingetaucht, gebildet aus einer 50:50 (Gewicht) Mischung
aus Salpetersäure
und Phosphorsäure.
Das Bad wird auf einer Temperatur von etwa 170°F bis 190°F (77–88°C) gehalten. Nach 2–4 Stunden
wird die Probe aus dem Bad entfernt und in Wasser 20 Minuten abgespült. Der
Knopf wird dann in ein Bad aus 20–40% (Gewicht) Salzsäure in Wasser
eingetaucht, gehalten bei etwa 150–165°F (66–74°C). Die Eintauchzeit für das zweite
Bad ist etwa 30–60
Minuten. Nach Entfernung aus dem zweiten Bad wird die Probe wiederum
in Wasser für
etwa 20 Minuten abgespült
und dann untersucht.
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Beispiel 2 (Vergleich)
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Probe
2 wird wie folgt untersucht. Einer der Knöpfe wird in ein Bad eingetaucht,
gebildet aus einer 50:50 (Gewicht)-Mischung aus Methansulfonsäure und
Wasser. Das Bad wird auf einer Temperatur von 120°F (49°C) gehalten.
Nach 45 Minuten wird der Knopf aus dem Bad entfernt und in Wasser
20 Minuten abgespült. Der
Knopf wird dann schonend sandgestrahlt. Das Sandstrahlen wird ausgeführt, indem
ein Luftdruckstrom, enthaltend Siliziumcarbidteilchen, bei einem
Druck von etwa 138 kPa (20 psi) quer über die Oberfläche des Knopfes
gerichtet wird. Die Siliziumcarbidteilchen haben eine mittlere Teilchengröße von weniger
als 50 Mikron. Der Knopf wird dann untersucht.
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Beispiel 3 (Vergleich)
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Probe
3 wird wie folgt behandelt. Einer der Knöpfe wird in ein Bad, gebildet
aus einer 50:50 (Gewicht)-Mischung von Salzsäure (37,7 Gew.-% in Wasser)
und Ethanol eingetaucht. Das Bad wird auf einer Temperatur von 120°F (49°C) gehalten.
Nach 45 Minuten wird der Knopf aus dem Bad entfernt und in Wasser 20
Minuten abgespült.
Der Knopf wird dann schonend sandgestrahlt. Das Sandstrahlen wird
gemäß den Angaben
für Probe
2 ausgeführt.
Der Knopf wird dann untersucht.
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Beispiel 4 (Vergleich)
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Probe
4 wird wie folgt behandelt. Einer der Knöpfe wird in ein Bad aus 25%
(Gewicht) Schwefelsäure in
Wasser eingetaucht. Das Bad wird auf einer Temperatur von 120°F (49°C) gehalten.
Nach 30 Minuten wird der Knopf aus dem Bad entfernt und in Wasser
20 Minuten abgespült.
Der Knopf wird dann schonend gemäß den Angaben
für Probe
2 sandgestrahlt und untersucht.
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Beispiel 5 (Vergleich)
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Probe
5 wird wie folgt unter Verwendung von zwei verschiedenen Strippingzusammensetzungen
behandelt. Ein Knopf, wie zuvor beschrieben, wird zunächst in
ein Bad eingetaucht, gebildet aus einer Mischung aus Salzsäure und
Ethanol, wie in Beispiel 3. Das Bad wird bei einer Temperatur von
77°F (25°C) gehalten. Nach
10 Minuten wird der Knopf aus dem Bad entnommen und in Wasser 20
Minuten abgespült.
Der Knopf wird dann in ein Bad aus Methansulfonsäure und Wasser, wie in Beispiel
2 beschrieben, eingetaucht. Das Bad wird auf einer Temperatur von
73°F (23°C) gehalten.
Nach 45 Minuten wird der Knopf aus dem Bad entfernt und in Wasser
20 Minuten abgespült.
Der Knopf wird dann schonend wie in den zuvor beschriebenen Beispielen
beschrieben sandgestrahlt und untersucht.
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Die
Verfahrensparameter und Ergebnisse sind in Tabelle 1 ausgeführt. „Selektivität" ist definiert als
das Verhältnis
der Menge von Beschichtungsmaterial, das verloren geht, zu der Menge
von Substratmaterial, das während
der (des) Strippingschritte(s) verloren geht. Ein höheres Verhältnis ist
ein erwünschtes
Anzeichen dafür,
dass das Aluminidbeschichtungsmaterial entfernt wird, während die
Entfernung von jeglichem Substratmaterial minimiert wird. Tabelle
1
- (a) Gramm Beschichtungsmaterial
entfernt/Gramm Substratmaterial entfernt
- (b) 2-Schritt-Strippverfahren, MSA = Methansulfonsäure
- (c) Vergleichsbeispiel
- (d) Gesamteintauchzeit
- * IGA = Interkristalliner Angriff
- ** Eintauchzeit in das Bad der Strippingzusammensetzung
- *** Badtemperatur
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Das
Verfahren aus Beispiel 1 (d.h. Probe 1), welches den Stand der Technik
darstellt, resultiert in einer signifikanten Menge an Lochfraß und innerkristallinem
Angriff der Substratoberfläche.
Darüber
hinaus ist die Zeit, die für
das Verfahren erforderlich ist, übermäßig lang.
Im Gegensatz dazu erfordern die Beispiele 2–4 (Proben 2–4) sehr
viel weniger Zeit und verwenden sehr viel geringere Temperaturen.
Das Verfahren aus Beispiel 5 (Probe 5), welches das Zweischritt-Strippingverfahren
verwendet, stellt ebenfalls gewünschte
Beschichtungsentfernung und Selektivität zur Verfügung, ohne nachteilige Wirkungen
auf die Substratoberfläche.
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1 ist
eine Mikrofotografie eines Querschnitts einer Platinaluminidbeschichtung,
aufgebracht auf ein nickelbasierendes Superlegierungssubstrat, nach
Behandlung mit einer Methansulfonsäure-Strippingzusammensetzung
gemäß dieser
Erfindung. Abbau der Schicht aus Platinaluminidmaterial ist klar
offensichtlich.
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2 ist
eine Mikrofotografie des Querschnitts aus 1, nachdem
die abgebaute Beschichtung in eine Abspülzusammensetzung aus Wasser
und Polyethylenglykol (1 Gew.-% PEG) für etwa 20 Min. eingetaucht
wurde. Dieser Schritt entfernt schnell die größeren Brocken von Beschichtungsmaterial,
wobei eine dünne
Schicht aus Aluminidmaterial auf dem Substrat zurückgelassen
wird.
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3 ist
eine Mikrofotografie des Querschnitts aus 2, nachdem
die abgespülte
Oberfläche
schonend sandgestrahlt wurde, wie in den Beispielen beschrieben.
Sandstrahlen von weniger als etwa 120 Sekunden resultiert in vollständiger Entfernung
der verbliebenen Aluminidbeschichtung ohne Zerstörung des Substrats.
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Die
folgenden Beispiele 6 bis 15 werden hergestellt, um Strippingzusammensetzungen
zu bewerten, die aliphatische und aromatische Sulfonsäuren mit
zumindest einem organischen oder anorganischen Additiv umfassen.
Die Beispielsubstrate wurden hergestellt aus Rene®80-,
Rene®142-
und Rene®N-5-Superlegierungsbasismetallen
mit einer nicht Platin enthaltenden Aluminidbeschichtung (Nicht-Platinaluminid)
und einer Platinaluminidbeschichtung. Die Proben werden typischerweise
für 4 Stunden
mit der Strippingzusammensetzung bei 66°C (150°F) (oder niedriger) behandelt,
gefolgt von einem Ultraschallbad und einem Sandstaub. Das Ausmaß der Beschichtungsentfernung
wird durch ein Wärmetönungsverfahren
und durch Mikroskopie verifiziert. Die Proben werden unter Verwendung
von Mikroskopie auf IGA und Lochfraß des Basismetalls untersucht.
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Beispiel 6 (Säure-Säure-Mischung)
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Eine
Mischung aus Methansulfonsäure
(MSA), Salzsäure
38° Baumé (HCl)
und Wasser (38:15:47 Gew.-%) wird verwendet, um eine Platinaluminidbeschichtung
und Nicht-Platinaluminidbeschichtung
von einer Hochdruckturbinenschaufel (HPT) zu strippen. Das Teil
wird 4 Stunden bei 50°C
mit Ultraschallbewegung in die Lösung
eingetaucht, gefolgt von einer Wasser/Polyethylenglykol-Spülung für 15 Minuten
mit Ultraschallbewegung. Das Teil wird dann mit 414 kPa (60 psi)
sandgestrahlt, um die abgebaute Beschichtung zu entfernen. Die Beschichtung
wird vollständig
entfernt, wie durch das Wärmetönungsverfahren
und Mikrokopie bestimmt. Wenig IGA wird in den Mikroaufnahmen des
blanken Metalls festgestellt.
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Beispiel 7 (Säure/Säure/Reduktionsmittel)
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Verschiedene
im Arbeitsgebiet gelaufene HPT-Schaufeln mit Platinaluminidbeschichtung
mit einer vorhergehenden Aluminidspitzenreparatur (Bildung eines
Nicht-Platinaluminidbeschichtungsbereiches)
werden mit einer Mischung aus MSA, HCl, Natriumhypophosphit und
Wasser (40:10:2:48 Gew.-%) behandelt. Das Teil wird in die Lösung eingetaucht
und für
4 Stunden bei 50°C
ultraschallbewegt, gefolgt von einer Spülung mit Wasser/Polyethylenglykol
für 15
Minuten mit Ultraschallbewegung. Das Teil wird dann bei 414 kPa
(60 psi) sandgestrahlt, um die abgebaute Beschichtung zu entfernen.
Wärmetönung und
Mikroskopie zeigen beide, dass das Teil vollständig sowohl von den Platinaluminid-
als auch den Nicht-Platinaluminidbeschichtungen ohne Angriff auf
die Basismetalle gestrippt ist.
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Beispiel 8 (Säure/Säure/Komplexierungsmittel)
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Verschiedene
im Arbeitsbereich gelaufene HPT-Schaufeln mit sowohl Platinaluminid-
als auch Nicht-Platinaluminidbeschichtungen auf Superlegierung auf
Nickelbasis werden in einer Lösung
aus MSA, Wasser, HCl und Dinitrobenzolsulfonsäure (NBSA) (41:51:5:3 Gew.-%)
gestrippt. Die Strippinglösung
wird unter Ultraschallbewegung auf 50°C gehalten, worauf eine Wasser/Polyethylenglykolabspülung für 15 Minuten mit
Ultraschallbewegung folgt. Das Teil wird dann bei 414 kPa (60 psi)
sandgestrahlt, um die abgebaute Beschichtung zu entfernen. Wärmetönung und
Mikroskopie zeigen beide, dass das Teil vollständig sowohl von den Platinaluminid-
als auch den Nicht-Platinaluminidbeschichtungen
gestrippt ist, ohne Angriff auf die Basismetalle.
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Beispiel 9 (Säure/Säure/Lösungsmittel)
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Verschiedene
Abschnitte, die entweder Platinaluminid- oder Nicht-Platinaluminidbeschichtungen
haben, werden unter Verwendung von MSA, HCl und Diethylenglykol
(DEG)/Wasser (18:15:47 Gew.-%) gestrippt. Die DEG/Wassermischung
wird von nur DEG bis zu nur Wasser variiert. 2/3 DEG und 1/3 Wasser
an Volumen wird als am wirksamsten gefunden. Die Strippinglösung wird
unter Ultraschallbewegung auf 50°C
gehalten, worauf eine Wasser/Polyethylenglykolspülung für 15 Minuten mit Ultraschallbewegung
folgt. Die Abschnitte werden dann bei 414 kPa (60 psi) sandgestrahlt,
um die abgebaute Beschichtung zu entfernen. Wärmetönung und Mikroskopie zeigen
beide, dass die Abschnitte vollständig sowohl von den Platinaluminid- als auch den Nicht-Platinaluminidbeschichtungen
gestrippt wurden, ohne Angriff auf die Basismetalle.
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Beispiel 10 (Säure/Säure/Oxydationsmittel)
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Verschiedene
im Arbeitsgebiet gelaufene HPT-Teile mit sowohl Platinaluminid-
als auch Nicht-Platinaluminidbeschichtungen werden unter Verwendung
einer Lösung
aus MSA, Wasser, Salpetersäure
70° Baumé und Wasserstoffperoxid
(50 Gew.-% Konzentration in Wasser) (25:30:25:20 Gew.-%) gestrippt.
Die Teile werden in die Strippinglösung eingetaucht, unter Ultraschallbewegung
bei 50°C
gehalten, gefolgt von einer Wasser/Polyethylenglykolspülung für 15 Minuten
mit Ultraschallbewegung. Die Teile werden dann mit 414 kPa (60 psi)
sandgestrahlt, um die abgebaute Beschichtung zu entfernen. Wärmetönung und
Mikroskopie zeigen beide, dass das Teil vollständig sowohl von den Platinaluminid-
als auch den Aluminidbeschichtungen ohne Angriff der Basismetalle
gestrippt ist.
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Beispiel 11 (Säure/Oxydationsmittel)
(Vergleich)
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Verschiedene
im Arbeitsgebiet gelaufene HPT-Teile mit sowohl Platinaluminid-
als auch Nicht-Platinaluminidbeschichtungen werden unter Verwendung
einer Lösung
aus MSA, Wasser, Wasserstoffperoxid (50 Gew.-% Konzentration in
Wasser) (36:44:20 Vol.-%) gestrippt. Die Teile werden in die Strippinglösung eingetaucht,
unter Ultraschallbewegung bei 50°C
gehalten, gefolgt von einer Wasser/Polyethylenglykolspülung für 15 Minuten
mit Ultraschallbewegung. Die Teile werden dann bei 414 kPa (60 psi)
sandgestrahlt, um die abgebaute Beschichtung zu entfernen. Wärmetönung und
Mikroskopie zeigen beide, dass das Teil vollständig von den Platinaluminid-
und Nicht-Platinaluminidbeschichtungen gestrippt ist, ohne Angriff
auf die Basismetalle.
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Beispiel 12 (Säure/zusätzliche
Säuren)
(Vergleich)
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Verschiedene
im Arbeitsgebiet gelaufene HPT-Teile werden unter Verwendung einer
Lösung
aus Salz-, Salpeter-, Milch- und Essigsäure (30:10:30:30 Vol.-%) gestrippt.
Die Teile werden in die Strippinglösung eingetaucht, die bei 50°C mit mechanischer
Bewegung betrieben wird, gefolgt von einer Wasserspülung mit Ultraschallbewegung
für 15
Minuten. Die Teile werden dann bei 414 kPa (60 psi) sandgestrahlt,
um die abgebaute Beschichtung zu entfernen. Wärmetönung und Mikroskopie zeigen
beide, dass das Teil vollständig
sowohl von den Platinaluminid- als auch den Nicht-Platinaluminidbeschichtungen
gestrippt ist, ohne Angriff auf die Basismetalle.
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Beispiel 13 (Säure/Säure/Oxidationsmittel)
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Verschiedene
im Arbeitsgebiet gelaufene HPT-Teile werden unter Verwendung einer
Lösung
aus MSA, Wasser, HCl, Kaliumpermanganat (36:44:10:10 Gew.-%) gestrippt.
Die Teile werden in die Strippinglösung eingetaucht, die unter
Ultraschallbewegung bei 50°C
betrieben wird, gefolgt von einer Wasser/Polyethylenglykolspülung mit
Ultraschallbewegung für
15 Minuten. Die Teile werden dann bei 414 kPa (60 psi) sandgestrahlt,
um die abgebaute Beschichtung zu entfernen. Wärmetönung und Mikroskopie zeigen
beide, dass das Teil vollständig
sowohl von den Platinaluminid- als auch den Nicht-Platinaluminidbeschichtungen
gestrippt ist. Die Mikroskopie zeigt IGA auf einem Schwalbenschwanzabschnitt
des HPT-Teils.
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Beispiel 14 (Säure/Oxidationsmittel)
(Vergleich)
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Verschiedene
im Arbeitsgebiet gelaufene HPT-Teile werden unter Verwendung einer
Lösung
aus MSA, Wasser, Eisen (III)chlorid (40:50:10 Gew.-%) gestrippt.
Die Teile werden in die Strippinglösung eingetaucht, die mit Ultraschallbewegung
bei 50°C
betrieben wird, gefolgt von einer Wasser/Polyethylenglykolspülung mit
Ultraschallbewegung für
15 Minuten. Die Teile werden dann bei 414 kPa (60 psi) sandgestrahlt,
um die abgebaute Beschichtung zu entfernen. Wärmetönung und Mikroskopie zeigen
beide, dass das Teil vollständig
sowohl von den Platinaluminid- als auch den Nicht-Platinaluminidbeschichtungen
gestrippt ist. Die Mikroskopie zeigt einiges IGA auf dem Schwalbenschwanz.
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Beispiel 15 (Säure/Säure/Reduktionsmittel)
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Verschiedene
im Arbeitsgebiet gelaufene HPT-Teile werden unter Verwendung einer
Lösung
aus MSA, Wasser, HCl, Natriumaluminiumfluorid (37:45:15:3 Gew.-%)
gestrippt. Die Teile werden in die Strippinglösung eingetaucht, die unter
Ultraschallbewegung bei 50°C
betrieben wird, gefolgt von einer Wasser/Polyethylenglykolspülung mit
Ultraschallbewegung für
15 Minuten. Die Teile werden dann bei 414 kPa (60 psi) sandgestrahlt,
um die abgebaute Beschichtung zu entfernen. Wärmetönung und Mikroskopie zeigen
beide, dass das Teil vollständig
sowohl von den Platinaluminid- als auch den Nicht-Platinaluminidbeschichtungen
gestrippt ist, ohne Angriff auf die Basismetalle.
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Die
Säuresysteme
gemäß den erfindungsgemäßen Ausführungsformen
zeigen gewünschte
Selektivität
bei der Entfernung sowohl der Platinaluminid- als auch der Nicht-Platinaluminid-Diffisionsbeschichtungen, während das
Basismetall relativ unangegriffen verbleibt. Die Lösungen aus
Beispiel 6 – MSA/HCl,
Beispiel 13 – MSA/HCl/KMnO4 und Beispiel 14 – MSA/FeCl3 verursachen
lediglich leichte IGA auf dem Basismetall und sind geeignete Lösungen für Einkristallteile
oder in Fällen,
bei denen eine geringe Menge an IGA zulässig ist. Während jede der Zusammensetzungen
aus den Beispielen 6–15
bei dem Strippen von Nicht-Platinaluminid- und Platinaluminidbeschichtungen
wirksam ist, sind solche der Beispiele 7 und 15 oben besonders wirksam.
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Gemäß den erfindungsgemäßen Ausführungsformen
werden Platinaluminid- und Nicht-Platinaluminidbeschichtungen
bei niedrigen Temperaturen und unter kurzer Zeitdauer entfernt,
wobei ein Angriff auf die Maskierungsmaterialien vermieden wird.
Zusätzlich
zeigen durch Betrieb bei einer reduzierten Temperatur und durch
geringe Flüchtigkeit
erfindungsgemäße Ausführungsformen
geringen Verlust von Lösungen
aufgrund von Verdampfen. Demzufolge ist weniger häufige Zugabe
von Wasser und Säuren
während
der Verwendung notwendig.