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Diese
Erfindung bezieht sich auf das Aufbringen einer aluminiumhaltigen
Beschichtung auf eine Oberfläche
und, im Besonderen, auf das Aufbringen einer solchen Beschichtung
aus einer aluminiumhaltigen Aufschlämmung auf die internen Oberflächen einer
Gasturbinenschaufel.
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Bei
einem Flugzeug-Gasturbinen(Strahl)-Triebwerk wird Luft in das Vordere
des Triebwerkes gesaugt, durch einen auf einer Welle montierten
Verdichter komprimiert und mit Treibstoff vermischt. Das Gemisch
wird verbrannt und die heißen
Abgase werden durch eine Turbine geführt, die auf der gleichen Welle
montiert ist. Die Strömung
von Verbrennungsgas dreht die Turbine durch Auftreffen auf einen
Schaufelblattabschnitt der Turbinen-Laufschaufeln und -Leitschaufeln,
was die Welle dreht und dem Verdichter und Bläser Energie zuführt. In
einer komplexeren Version des Gasturbinen-Triebwerkes sind der Verdichter
und eine Hochdruck-Turbine auf einer Welle montiert und der Bläser und
Niederdruckturbine sind auf einer separaten Welle montiert. In jedem
Falle strömen
die heißen
Abgase aus dem rückwärtigen Teil
des Triebwerkes, treiben es an und das Flugzeug vorwärts.
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Je
heißer
die Verbrennungs- und Abgase, desto effizienter ist der Betrieb
des Strahltriebwerkes. Es gibt somit einen Anreiz, die Verbrennungs-
und Abgas-Temperaturen zu erhöhen.
Die Maximaltemperatur der Verbrennungsgase ist normalerweise durch
die Materialien beschränkt,
die zum Herstellen der Turbinen-Laufschaufeln
und Turbinen-Leitschaufeln benutzt werden, auf die die heißen Verbrennungsgase
auftreffen. In derzeitigen Triebwerken sind die Turbinen-Laufschaufeln
und -Leitschaufeln aus Nickelbasis-Superlegierungen hergestellt
und können
bei Temperaturen von bis zu etwa 1038–1177°C (1900–2150°F) betrieben werden.
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Es
wurden viele Wege genutzt, um die Grenzen der Betriebstemperatur
der Flügelabschnitte
von Turbinen-Laufschaufeln und -Leitschaufeln bis zu ihren derzeitigen
Niveaus zu erhöhen.
So wurden, z. B., die Zusammensetzung und Verarbeitung der Grundmaterialien
selbst verbessert und eine Vielfalt von Erstarrungstechniken wurde
entwickelt, um Vorteile aus orientierten Kornstrukturen und Einkristall-Strukturen
zu ziehen.
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Auch
können
physikalische Kühltechniken benutzt
werden. Bei einer Technik sind interne Kühldurchgänge im Inneren des Turbinenschaufelblattes vorhanden.
Es wird Luft durch die Kühldurchgänge und
aus den Öffnungen
aus der äußeren Oberfläche des
Schaufelblattes gedrückt,
was Wärme
aus dem Inneren des Schaufelblattes abführt und, in einigen Fällen, eine
Grenzschicht kühlerer
Luft an der Oberfläche
des Schaufelblattes schafft.
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Die
Oberflächen
der internen Kühldurchgänge können mit
einem Diffusionsaluminid-Überzug
geschützt
werden, der zu einer Aluminiumoxid-Schutzhaut oxidiert, die weitere
Oxidation der internen Oberflächen
verhindert. Eine Anzahl von Techniken zum Aufbringen des internen
Diffusionsaluminid-Überzuges
ist bekannt, einschließlich
chemischer Dampfabscheidung, Dampfphasen-Aluminieren und die Über-Kopf-Techniken
(above-the-pack-techniques).
Diese Verfahren haben den Nachteil, dass sie auch andere freiliegende
Oberflächen
beschichten. Oberflächen,
die nicht beschichtet werden sollen, können manchmal durch Maskieren geschützt werden,
doch mag das Maskieren unter vielen Umständen nicht praktisch sein.
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Bei
einer anderen Technik wird eine Aufschlämmungsbeschichtung, die eine
Quelle von Aluminium und andere Komponenten enthält, auf die interne Oberfläche aufgebracht.
Die Aufschlämmungsbeschichtung
wird chemisch umgesetzt, um Aluminium auf der internen Oberfläche abzuscheiden.
Das Aufschlämmungsbeschichten
hat den Vorteil, dass das räumliche
Ausmaß der
aluminiumhaltigen Beschichtung auf spezifische Bereiche, wie die
internen Oberflächen,
begrenzt werden kann. Existierende Aufschlämmungsbeschichtungs-Techniken
haben jedoch den Nachteil, dass sie eine unerwünschte Verunreinigung auf der
Schaufel in Form von Zersetzungs-Nebenprodukten zurücklassen.
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US-A-5 366 765 offenbart
in wässeriges
Aufschlämmungsverfahren
zum Herstellen eines Diffusionsaluminid-Schutzüberzuges auf internen Durchgängen in
Superlegierungs-Gegenständen.
Teilchenmaterialien werden trocken mit einem organischen Verdicker
vermischt, um eine gleichmäßige Teilchenverteilung
und das Aufbrechen des Verdickers in kleine Teilchen zur besseren
Auflösung
sicherzustellen.
US-A-5
366 765 benutzte A15C, eine Form von Methylcellulose, hergestellt
durch die Dow Chemical Company, Midland, Michigan, als den Verdicker, doch
können
viele andere Verbindungen auf Zellulosegrundlage mit gleichem Erfolg
eingesetzt werden. Der organische Verdicker erfüllt eine Anzahl von Schlüsselanforderungen.
Vorhergehende Untersuchungen einer Aufschlämmung, die unter Einsatz von
Kelzan
®,
als dem organischen Binder, hergestellt wurde, zeigen, dass die
Aufschlämmung
eine längere
Lagerzeit hat und weniger wahrscheinlich einer Reaktion zwischen
freiem Aluminium und Wasser unterliegt. Die Menge des eingesetzten
organischen Verdickers muss ausreichen, um eine Beschichtungs-Viskosität bei Raumtemperatur
im Bereich von etwa 100 bis 1000 Centipoise zu erzeugen. Dies ist eine
Viskosität
der Größenordnung,
die in Melassen oder Honig ebenfalls bei Raumtemperatur beobachtet
wird und ergibt eine Aufschlämmung,
die leicht unter mäßigem Druck in
die Durchgänge
injiziert werden kann, die jedoch nicht leicht aus den Durchgängen herausfließt. Gleichzeitig
ist die Aufschlämmung flüssig genug,
um sicherzustellen, dass beim Füllen des
hohlen Gegenstandes keine Blasen zurückbleiben. Dies erfolgt durch
Drücken
der Aufschlämmung derart,
dass sie immer nach oben fließt
während
die den Hohlraum füllt,
wobei die Schwerkraft das vollständige
Füllen
aller Teile des Hohlraumes sicherstellt.
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Es
gibt daher einen Bedarf an einem verbesserten Herangehen zum Abscheiden
von aluminiumhaltigen Beschichtungen auf spezifischen Bereichen von
Oberflächen,
insbesondere den internen Oberflächen
von Gegenständen,
wie Gasturbinenschaufeln. Die vorliegende Erfindung erfüllt diesen
Bedarf und bietet weitere verwandte Vorteile.
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Die
vorliegende Erfindung schafft ein Herangehen zum Beschichten von
Oberflächen
von Gegenständen
mit einer aluminiumhaltigen Beschichtung auf Aufschlämmungsgrundlage.
Es ist besonders gut geeignet zum Überziehen der internen Oberflächen von
Gegenständen,
wie der internen Oberflächen
der Durchgänge
innerhalb hohler Schaufelblätter
von Gasturbinen-Laufschaufeln und -Leitschaufeln. Das vorliegende
Herangehen hat die Vorteile konventioneller Aufschlämmungsbeschichtungs-Verfahren.
Zusätzlich
ist die Aufschlämmung
dahingehend formuliert, dass die Entfernung restlichen überschüssigen Beschichtungsmaterials
von den Oberflächen
nach der Beschichtungsprozedur erleichtert.
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US-A-5 952 057 offenbart
ein Verfahren zum Legieren von Verbindungen in ein metallisches
Substrat, umfassend das Beschichten einer Oberfläche des metallischen Substrates
mit einer einfach und wirtschaftlich hergestellten Mischung, umfassend eine
pulverisierte Silikatmineral-Komponente (z. B. Mont morillonit, Bentonit
usw.), eine pulverisierte metallische Verbindung (z. B. Al) und
eine flüssige
Komponente, die in der Lage ist, eine Dispersion der pulverisierten
Silikatmineral-Komponente
und der pulverisierten metallischen Verbindung darin zu unterstützen.
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Die
Silikatmineral-Komponenten sind durch eine Fähigkeit charakterisiert, ein
Mikron- oder „gelartiges" Medium zu erzeugen,
wenn sie mit einer flüssigen
Komponente kombiniert werden, um eine Dispersion der metallischen
Verbindung zu unterstützen.
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FR-R-885585 offenbart
ein Verfahren zum Diffusionsbeschichten metallischer Substrate,
umfassend ein Aufbringen einer Mischung von Metallen (z. B. Al)
und Oxiden auf die Oberfläche
des Substrates und Erhitzen der festen oder teilweise flüssigen Mischung.
Die Mischung kann Bentonit und oder Ton enthalten.
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Gemäß der Erfindung
wird ein Verfahren zum Beschichten geschaffen, umfassend die Stufen des
Bereitstellens eines Gegenstandes mit einer zu beschichtenden Gegenstandsoberfläche und
Bereitstellen einer Beschichtungsaufschlämmung, umfassend eine Mischung
einer Trägerkomponente,
umfassend Wasser und einen anorganischen Gelbildner, eine Quelle
von Aluminium, wahlweise einen Halogenid-Aktivator und ein Oxid-Dispersionsmittel.
Der anorganische Gelbildner ist vorzugsweise ein quellender Ton,
wie ein Montmorillonitton und am bevorzugtesten ein Hektoritton
oder ein Bentonitton. Die Beschichtungsaufschlämmung wird auf die Gegenstandsoberfläche aufgebracht
und danach auf der Gegenstandsoberfläche getrocknet, um Wasser daraus
zu entfernen. Die Stufe des Trocknens wird vorzugsweise durch Erhitzen
der Beschichtungsaufschlämmung
auf der Gegenstandsoberfläche
auf ein Temperatur von etwa 82°C (180°F) bis etwa
510°C (950°F), am bevorzugtesten
von etwa 82°C
(180°F) bis
etwa 121°C
(250°F)
in Luft für
eine Zeit von etwa 2 bis etwa 48 Stunden bewerkstelligt. Das Verfahren schließt weiter
das Erhitzen der Gegenstandsoberfläche mit der getrockneten Beschichtungsaufschlämmung darauf
zur Bildung einer Aluminiumbeschichtung ein, die an die Gegenstandsoberfläche gebunden
ist. Das Erhitzen wird vorzugsweise durch Erhitzen auf eine Temperatur
von etwa 927°C
(1700°F) bis
etwa 1149°C
(2100°F)
für eine
Zeit von etwa 1 bis etwa 18 Stunden in einer inerten oder reduzierenden Atmosphäre bewerkstelligt.
Wahlweise, aber erwünscht,
wird danach das überschüssige Beschichtungsmaterial
von der Gegenstandsoberfläche
entfernt.
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Der
Gegenstand ist vorzugsweise ein Schaufelblatt einer Gasturbinen-Laufschaufel
oder -Leitschaufel. In einem Falle ist das Schaufelblatt hohl mit
durchgehenden internen Durchgängen.
Die Stufe des Aufbringens erfolgt durch Injizieren der Beschichtungsaufschlämmung in
den und Füllen
des internen Durchganges des Gegenstandes.
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Die
Quelle von Aluminium ist vorzugsweise Aluminium, eine Chrom-Aluminium-Legierung,
eine Kobalt-Aluminium-Legierung, eine Titan-Aluminium-Legierung,
eine Eisen-Aluminium-Legierung, eine Aluminium-Vanadium-Legierung,
eine Aluminium-Mangan-Legierung oder Mischungen davon. Der Halogenid-Aktivator,
wenn er benutzt wird, ist vorzugsweise AlF3,
NH4F, AlCl3, NH4Cl, CrCl3, CrCl2, NaCl, FeCl2, FeCl3, CrF2, CrF3 oder Mischungen davon. Das Oxid-Dispersionsmittel
ist vorzugsweise Aluminiumoxid, doch können andere Oxide, wie Yttriumoxid,
Zirkoniumdioxid, Chromoxid und Hafniumdioxid oder Mischungen davon
benutzt werden.
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Vorzugsweise
ist die Quelle von Aluminium von etwa 1 bis etwa 50 Gewichtsprozent
(Gew.-%) des Gesamtgewichtes der Quel le von Aluminium, des Halogenid-Aktivators
und des Oxid-Dispersionsmittels; der Halogenid-Aktivator ist von
etwa 0,5 bis etwa 10 Gew.-% des Gesamtgewichtes der Quelle von Aluminium,
des Halogenid-Aktivators und des Oxid-Dispersionsmittels und das
Oxid-Dispersionsmittel ist von etwa 50 bis etwa 99 Gew.-% des Gesamtgewichtes
der Quelle von Aluminium, des Halogenid-Aktivators und des Oxid-Dispersionsmittels. Am
bevorzugtesten ist die Quelle von Aluminium eine Kobalt-Aluminium-Legierung
mit etwa 50 Gew.-% Kobalt, Rest Aluminium, die in einer Menge von
etwa 28 bis etwa 35 Gew.-% des Gesamtgewichtes der Quelle von Aluminium,
des Halogenid-Aktivators und des Oxid-Dispersionsmittels vorhanden
ist. Am bevorzugtesten ist der Halogenid-Aktivator AlF3,
das in einer Menge von etwa 4 bis etwa 6 Gew.-% des Gesamtgewichtes
der Quelle von Aluminium, des Halogenid-Aktivators und des Oxid-Dispersionsmittels vorhanden
ist. Der anorganische Gelbildner ist von etwa 1 bis etwa 6 Gew.-%
des Gesamtgewichtes des Wassers und des anorganischen Gelbildners.
Die Quelle von Aluminium, der Halogenid-Aktivator und das Oxid-Dispersionsmittel
bilden zusammen etwa 30 bis etwa 70 Gew.-% der Mischung der Trägerkomponente,
der Quelle von Aluminium, des Halogenid-Aktivators und des Oxid-Dispersionsmittels.
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Die
Erfindung wird nun detaillierter beispielhaft unter Bezugnahme auf
die Zeichnung beschrieben, in der:
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1 eine
perspektivische Ansicht einer Turbinenschaufel ist;
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2 eine
vergrößerte schematische Schnittansicht
durch die Turbinenschaufel von 1 entlang
der Linie 2-2 ist; und
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3 ein
Block-Fließdiagramm
eines Verfahrens zum Herstellen einer intern beschichteten Gasturbinen-Schaufel
ist.
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1 zeigt
einen Komponenten-Gegenstand eines Gasturbinen-Triebwerkes, wie
einer Turbinen-Laufschaufel oder Turbinen-Leitschaufel und in dieser
Darstellung eine Turbinen-Laufschaufel 20. Die
Turbinenschaufel 20 ist aus irgendeinem einsatzfähigen Material
gebildet, doch ist sie vorzugsweise eine Nickelbasis-Superlegierung.
Die Turbinenschaufel 20 schließt einen Schaufelblattabschnitt 22 ein,
gegen den die Strömung
heißen
Abgases gerichtet ist. (Die Turbinen-Leitschaufel hat ein ähnliches Aussehen
mit Bezug auf den in Frage kommenden Schaufelblattabschnitt, doch
schließt
sie typischerweise andere Endstruktur ein, um das Schaufelblatt abzustützen). Die
Turbinen-Laufschaufel 20 ist an einer (nicht gezeigten)
Turbinenscheibe mittels eines Schwalbenschwanzes 24 montiert,
der sich vom Schaufelblatt 22 aus nach unten erstreckt
und in einen Schlitz der Turbinenscheibe eingreift. Eine Plattform 26 erstreckt
sich längs
nach außen
von dem Bereich, an dem das Schaufelblatt 22 mit dem Schwalbenschwanz 24 verbunden
ist. Eine Anzahl interner Durchgänge
erstreckt sich durch das Innere des Schaufelblattes 22 und
endet in Öffnungen 28 an
der Oberfläche
des Schaufelblattes 22. Während des Betriebes wird eine
Strömung
von Kühlluft
durch die internen Durchgänge
gerichtet, um die Temperatur des Schaufelblattes 22 zu
verringern. Das Schaufelblatt 22 kann als ein Wurzelende 30,
benachbart dem Schwalbenschwanz 24 und ein gegenüber angeordnetes
Spitzenende 32, entfernt vom Schwalbenschwanz 24,
aufweisend beschrieben werden.
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2 ist
ein Längsschnitt
durch das Schaufelblatt 22, der einen der internen Durchgänge 34 zeigt,
der sich durch das Innere des Schaufelblattes 22 erstreckt.
Der interne Durchgang 34 hat eine interne Schaufelblatt-Oberfläche 36 und
es gibt auch eine externe Schaufelblatt-Oberfläche 38 des metallischen
Abschnittes des Schaufelblattes 22.
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Eine
Diffusionsaluminid-Schutzregion 40 ist an der internen
Schaufelblatt-Oberfläche 36 vorhanden.
Das Diffusionsaluminid ist gebildet durch Abscheiden eines aluminiumhaltigen Überzuges
auf der internen Schaufelblatt-Oberfläche 36, sodass ein Körper des
Schaufelblattes 22 als ein Substrat 42 dient.
Das Aluminium wird mit dem Material des Substrates 42 gegenseitig
diffundiert, um die mit Aluminium angereicherte Schutzregion 40 zu
bilden, die unterhalb der internen Schaufelblatt-Oberfläche 36 liegt. Die
Diffusionsaluminid-Schutzregion 40 hat eine Zusammensetzung,
bei der die Aluminiumkonzentration nahe der internen Schaufelblatt-Oberfläche 36 am
höchsten
ist und die Aluminiumkonzentration mit zunehmendem Abstand von der
internen Schaufelblatt-Oberfläche 36 in
das Substrat 42 hinein abnimmt. Die Diffusionsaluminid-Schutzregion 40 hat
typischerweise eine Dicke von etwa 0,0127 mm (0,0005 inch) bis etwa
0,127 mm (0,005 inch). Wird sie der oxidierenden Umgebung hoher
Temperatur ausgesetzt, dann oxidiert die an Aluminium angereicherte
Region an der internen Schaufelblatt-Oberfläche 36 unter Bildung
einer stark haftenden Aluminiumoxid (Al2O3)-Schutzhaut
an der internen Schaufelblatt-Oberfläche 36 und verhindert
und verlangsamt weitere Oxidations-Beschädigung. Reaktionsfähige und
Aluminid modifizierende edle Elemente, wie Hafnium, Zirkonium, Yttrium,
Silicium, Titan, Tantal, Wolfram, Molybdän, Rhenium, Ruthenium, Kobalt, Chrom,
Platin und Palladium und deren Kombinationen können wahlweise in der Diffusionsaluminid-Schutzregion 40 vorhanden
sein. Ein Decküberzug,
wie er als Nächstes
diskutiert und auf die externe Schaufelblatt-Oberfläche 38 aufgebracht
ist, wird auf der internen Schaufelblatt-Oberfläche 36 nicht benutzt.
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Die
externe Schaufelblatt-Oberfläche 38 kann
auch geschützt
werden und 2 veranschaulicht eine Art des
Herangehens. Ein Schutzüberzug 44 liegt
auf der externen Schaufelblatt-Oberfläche 38 und steht in
Kontakt damit. Der Schutzüberzug 44 hat eine
Schutzschicht 46, die auf der externen Schaufelblatt-Oberfläche 38 liegt
und in Kontakt damit steht. Die Schutzschicht 46 ist vorzugsweise
aus einem Diffusionsaluminid oder einer Deckzusammensetzung gebildet.
Wird es eingesetzt, dann kann das Diffusionsaluminid ein einfaches
Diffusionsaluminid der oben diskutierten Art oder ein modifiziertes
Diffusionsaluminid, wie ein Platinaluminid, sein. Solche Überzüge sind
im Stande der Technik für
den Fall externer Schutzschichten 46 bekannt. Wird er eingesetzt,
dann ist der Deckschutzüberzug
vorzugsweise vom MCrAlX-Typ. Die Terminologie „MCrAlX" ist ein abgekürzter Begriff des Standes der
Technik für
eine Vielfalt von Familien von Deckschutzüberzügen 46, die als Umweltüberzüge oder
Bindeüberzüge in thermischen
Sperrüberzugs-Systemen
eingesetzt werden können.
In dieser und anderen Formen bezieht sich M auf Nickel, Kobalt,
Eisen und deren Kombinationen. In einigen dieser Schutzüberzüge kann
das Chrom weggelassen werden. Das X bezeichnet Elemente, wie Hafnium,
Zirkonium, Yttrium, Tantal, Rhenium, Ruthenium, Palladium, Platin,
Silicium, Titan, Bor, Kohlenstoff und deren Kombinationen. Spezifische
Zusammensetzungen sind im Stande der Technik bekannt. Einige Beispiele
von MCrAlX-Zusammensetzungen schließen, z. B., NiAlCrZr und NiAlZr ein,
doch soll diese Liste von Beispielen nicht als begrenzend angesehen
werden. Die Schutzschicht 46 ist von etwa 0,0127 mm (0,0005
inch) bis etwa 0,254 mm (0,010 inch) dick. Solche Schutzschichten 48 sind
im Stande der Technik allgemein bekannt.
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Wahlweise
liegt eine Keramikschicht 48 auf der Schutzschicht 46 und
steht mit dieser in Kontakt. Die Keramikschicht 48 ist
vorzugsweise Yttriumoxid-stabilisiertes Zirkoniumdi- Oxid, was Zirkoniumoxid
ist, das von etwa 2 bis etwa 12 Gew.-%, vorzugsweise von etwa 3 bis etwa
8 Gew.-%, Yttriumoxid enthält.
Die Keramikschicht 48 hat typischerweise eine Dicke von
0,0762 mm (0,003 inch) bis etwa 0,254 mm (0,010 inch). Andere brauchbare
Keramikmaterialien können
ebenfalls eingesetzt werden. Ist keine Keramikschicht 48 vorhanden,
dann wird die Schutzschicht 46 als ein „Umweltüberzug" bezeichnet. Ist eine Keramikschicht 48 vorhanden,
dann wird die Schutzschicht 46 als „Bindeüberzug" bezeichnet.
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3 zeigt
ein bevorzugtes Herangehen zum Ausführen des vorliegenden Verfahrens.
Ein Gegenstand wird geschaffen, Bezugsziffer 60, in diesem
Falle ein Schaufelblattabschnitt 22, wie er bei der Turbinen-Laufschaufel 20 oder
einer Turbinen-Leitschaufel
gefunden wird.
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Es
wird eine Überzugs-Aufschlämmung bereitgestellt,
Bezugsziffer 62. Die Überzugs-Aufschlämmung schließt eine
Trägerkomponente
und eine Mischung von Pulvern ein. Die Trägerkomponente schließt Wasser
und einen anorganischen Gelbildner ein. Eine geringe Menge der sehr
und vollständig
flüchtigen
organischen Verbindung, wie eines Alkohols, kann mit dem Wasser
vermischt werden, um das Verdampfen des Wassers in einer späteren Stufe
zu unterstützen.
Der anorganische Gelbildner ist vorzugsweise ein quellender Ton,
bevorzugter ein Montmorillonitton und am bevorzugtesten ein Hectoritton
oder ein Bentonitton. Hectoritton ist der wirksamste Gelbildner,
da er etwa bis zum 24fachen seines ursprünglichen Gewichtes an Wasser
absorbiert, und er ist gegenüber
Bentonitton bevorzugt, der bis zum etwa 16fachen seines ursprünglichen
Gewichtes an Wasser absorbiert. Hectoritton ist ein NaMgLi-Silikatton,
dessen Teilchen typischerweise die Form vergrößerter Plättchen haben, die nominelle Abmessungen
von etwa 0,8 mal etwa 0,08 mal etwa 0,001 μm aufweisen. Der bevorzugteste
Ton zum Einsatz bei dem vorliegenden Herangehen ist Bentone® AD
Ton, der ein Hectoritton ist, der von Rheox Inc., Hightstown, NJ.
erhältlich
ist. Bentone® MA
Ton, ebenfalls erhältlich
von Rheox Inc., kann benutzt werden, doch ist er etwas grober als
der Bentone® AD Ton,
mit dem Ergebnis, dass der Bentone® AD
Ton bessere dem Absetzen entgegenwirkende Eigenschaften hat und
ein besserer Gelbildner ist. In der zweiten Klasse bevorzugter Tone
ist Bentonitton ein NaAlMg-Silikatton, dessen Teilchen typischerweise in
Form quadratischer Plättchen
vorliegen, die nominelle Abmessungen von etwa 0,8 mal etwa 0,8 mal etwa
0,001 μm
aufweisen.
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Der
anorganische Gelbildner beträgt
vorzugsweise von etwa 1 bis etwa 6 (am bevorzugtesten 4) Gew.-%
des Gesamtgewichtes des Wassers und des anorganischen Gelbildners.
Der anorganische Gelbildner wird mit dem Wasser zur Bildung der
Trägerkomponente
vermischt. Das Mischen erfolgt unter Einsatz eines stark scherenden
oder eine hohe Geschwindigkeit aufweisenden Mischers, wie eines konventionellen
Haushaltmischers.
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Eine „Feststoff"-Komponente schließt eine pulverisierte
Quelle von Aluminium ein, wahlweise einen pulverisierten Halogenid-Aktivator,
und ein pulverisiertes Oxid-Dispersionsmittel. (Diese Bestandteile
werden als „Feststoff"-Komponente bezeichnet, obwohl
der anorganische Gelbildner auch ein Feststoff ist und in der Trägerkomponente
vorhanden ist). Die Quelle von Aluminium ist vorzugsweise Aluminium,
eine Chrom-Aluminium-Legierung,
eine Kobalt-Aluminium-Legierung, eine Titan-Aluminium-Legierung,
eine Eisen-Aluminium-Legierung, eine Aluminium-Vanadium-Legierung,
eine Aluminium-Mangan-Legierung oder Mischungen davon. Eine Kobalt-Aluminium-Legierung,
die etwa 50 Gew.-% Kobalt, Rest Aluminium aufweist, ist bevorzugt.
Das Überziehen
kann ohne den Gebrauch eines Halogenid-Aktivators ausgeführt werden,
wenn ein genügend
hohes Niveau (etwa 50 bis 80 Gew.-% der Feststoff-Komponente) der
Quelle von Aluminium benutzt wird. Der Einsatz des Halogenid-Aktivators
ist jedoch bevorzugt, sowohl weil die Quelle von Aluminium in einer
geringeren Konzentration vorhanden sein kann und weil der Halogenid-Aktivator
bei der nachfolgenden Reinigungsstufe zur Entfernung überschüssigen Überzugsmaterials
unterstützt.
Der Halogenid-Aktivator, wenn er eingesetzt wird, ist vorzugsweise
AlF3, NH4F, AlCl3, NH4Cl, CrCl3, CrCl2, NaCl, Fed2, FeCl3, CrF2, CrF3 oder Mischungen
davon. AlF3 ist bevorzugt. Das Oxid-Dispersionsmittel
ist vorzugsweise Aluminiumoxid, Al2O3, doch können
statt dessen auch andere Oxide, wie Yttriumoxid, Zirkoniumdioxid,
Chromoxid und Hafniumdioxid, eingesetzt werden. Die bevorzugte Maschengröße der Feststoffkomponente
beträgt
von etwa 150 Maschen bis etwa 325 Maschen. Die Quelle von Aluminium
beträgt
vorzugsweise von etwa 1 bis etwa 50, bevorzugter von etwa 28 bis
etwa 35 und am bevorzugtesten etwa 30 Gew.-% des Gesamtgewichtes
der Quelle von Aluminium, des Halogenid-Aktivators und des Oxid-Dispersionsmittels;
der Halogenid-Aktivator
beträgt
von etwa 0,5 bis etwa 10, bevorzugter von etwa 2 bis etwa 6 und
am bevorzugtesten etwa 5 Gew.-% des Gesamtgewichtes der Quelle von
Aluminium, des Halogenid-Aktivators und des Oxid-Dispersionsmittels
und das Oxid-Dispersionsmittels beträgt von etwa 50 bis etwa 99
Gew.-% des Gesamtgewichtes der Quelle von Aluminium, des Halogenid-Aktivators und
des Oxid-Dispersionsmittels.
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Die
Träger-Komponente
und die Feststoff-Komponente werden miteinander unter Bildung der Überzugs-Aufschlämmung vermischt.
Die Quelle von Aluminium, der Halogenid-Aktivator und das Oxid-Dispersionsmittels
zusammengenommen machen von etwa 30 bis etwa 70, bevorzugter etwa
40 Gew.-% der gesamten Mischung der Träger-Komponente, der Quelle
von Aluminium, des Halogenid-Aktivators und des Oxid-Dispersionsmittels
aus. Die Quelle von Aluminium, der Halogenid-Aktivator und das Oxid- Dispersionsmittels
werden in einem Mischer vermischt und dann wird diese Feststoff-Komponente
mit einem Spatel von Hand in die Träger-Komponente eingemischt.
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Die Überzugs-Aufschlämmung wird
auf die interessierende Gegenstandsoberfläche aufgebracht, Bezugsziffer 64.
Im bevorzugten Falle, wenn die Aufschlämmung auf die internen Schaufelblatt-Oberflächen 36 der
internen Durchgänge 34 aufgebracht
wird, wird die Aufschlämmung
mit einer Spritze und einer Pumpe in die internen Durchgänge 34 injiziert.
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Die
auf die Oberfläche
aufgebrachte Überzugs-Aufschlämmung wird
getrocknet, Bezugsziffer 66. In einem bevorzugten Falle
erfolgt die Trocknungsstufe 66 durch Erhitzen der Überzugs-Aufschlämmung auf
der Gegenstands-Oberfläche
auf eine Temperatur von etwa 82°C
(180°F)
bis etwa 510°C
(950°F)
in Luft für
eine Dauer von etwa 2 bis etwa 48 Stunden. Das Trocknen verdampft
das Wasser der Überzugs-Aufschlämmung. Eine
geringe Menge eines Verdampfungs-Hilfsmittels, eines Alkohols, kann
zu dem Wasser hinzugegeben werden, um die Verdampfung zu unterstützen. Das
Verdampfungs-Hilfsmittel verdampft vollständig und lässt keinen organischen Rest
in dem getrockneten Überzug zurück.
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Die
getrocknete Überzugs-Aufschlämmung wird
erhitzt, um einen aluminiumhaltigen Überzug auf der Oberfläche des
Gegenstandes abzuscheiden, Bezugsziffer 68. Diese Heizstufe
erfolgt vorzugsweise bei einer Temperatur von etwa 927°C (1700°F) bis etwa
1149°C (2100°F) für eine Dauer
von etwa 1 bis etwa 16 Stunden in einer inerten (z. B. Argon) oder reduzierenden
(z. B. Wasserstoff) Atmosphäre.
Der Gegenstand wird während
dieser Stufe erwünschter Maßen gegen
Oxidation durch Restsauerstoff und Wasserdampf geschützt. Es
ist bevorzugt, den Gegenstand in Nickelfolie oder eine andere Folie,
wie aus korrosionsbestän digem
Stahl, Werkzeugstahl, Tantal oder Nickelbasis-Superlegierung, einzuwickeln,
um diesen Schutz bereitzustellen. In dieser Heizstufe wird aluminiumhaltiger
Dampf durch die Quelle von Aluminium und dem Halogenid-Aktivator erzeugt.
Der aluminiumhaltige Dampf scheidet sich auf der Oberfläche ab und
bildet einen aluminiumhaltigen Überzug.
Der überzogene
Gegenstand wird danach auf Raumtemperatur abgekühlt.
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Das
Resultat der Heizstufe 68 ist die Gegenstands-Oberfläche mit
der aluminiumhaltigen Schicht 40. Die aluminiumhaltige
Schicht 40 erfährt
während der
Heizstufe 68 eine teilweise Interdiffusion in das Substrat 42.
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Zusätzlich gibt
es einen Rest auf der Oberfläche,
weil nur etwa 5–10%
des ursprünglichen
Feststoffpulvers umgesetzt sind. Der Rest schließt unumgesetzte Aluminiumquelle
und Halogenid-Aktivator, das
Oxid-Dispersionsmittel und den übrigen
anorganischen Gelbildner ein. Dieses überschüssige Überzugsmaterial wird vorzugsweise
entfernt, Bezugsziffer 70. Die Entfernung erfolgt, selbst
wenn es sich in einem internen Durchgang befindet, durch Blasen
mit Hochdruckluft oder fließendem
Hochdruckwasser.
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Irgendwelche
anderen Überzüge werden aufgebracht,
Bezugsziffer 72. Im Falle des Turbinen-Schaufelblattes
kann ein Überzug,
wie der Überzug 44,
oder ein thermischer Sperrüberzug, über der äußeren Schaufelblatt-Oberfläche 38 aufgebracht werden.
Irgendein ausführbares
Verfahren für
den ausgewählten
externen Überzug
kann benutzt werden und Stufe 72 kann folgen, vorausgehen
oder gleichzeitig mit Stufe 68 ausgeführt werden. Bei dem bevorzugten
Herangehen, dessen Resultat in 2 veranschaulicht
ist, wird der Schutzüberzug 44 über der
externen Schaufelblatt-Oberfläche 38 und
mit dieser in Kontakt stehend abgeschieden. Der Schutzüberzug 44 schließt die Schutz schicht 46 ein,
die auf der externen Schaufelblatt-Oberfläche 38 abgeschieden
ist. Die Schutzschicht 46 ist vorzugsweise vom MCrAlX-Typ.
Die Schutzschicht 46 wird mittels irgendeiner aus fährbaren
Technik abgeschieden, wie physikalische Dampfabscheidung (z. B.
Zerstäuben, Kathoden-Lichtbogen,
Elektronenstrahl) oder durch thermisches Spritzen. Die Schutzschicht 46 hat
vorzugsweise eine Dicke von etwa 0,0127 mm (0,0005 inch) bis etwa
0,254 mm (0,010 inch), am bevorzugtesten von etwa 0,0508 mm (0,002
inch) bis etwa 0,178 mm (0,007 inch).
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Der
schützende
Decküberzug
schließt
wahlweise die Keramikschicht 48 ein, die über der
Schutzschicht 46 liegend und diese kontaktierend abgeschieden
ist. Die Keramikschicht 48 hat vorzugsweise eine Dicke
von etwa 0,0762 mm (0,003 inch) bis etwa 0,254 mm (0,010 inch),
am bevorzugtesten ist sie etwa 0,127 mm (0,005 inch) dick. (2 ist
nicht maßstabgerecht).
Die Keramikschicht 48 ist vorzugsweise Yttriumoxidstabilisiertes
Zirkoniumdioxid, was Zirkoniumoxid ist, das von etwa 2 bis etwa
12 Gew.-%, vorzugsweise von etwa 3 bis etwa 8 Gew.-%, Yttriumoxid
enthält.
Andere brauchbare Keramikmaterialien können ebenso gut eingesetzt
werden. Sie können
nach irgendeiner ausführbaren Technik
abgeschieden werden, wie physikalische Dampfabscheidung oder thermisches
Spritzen.
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Das
vorliegende Herangehen wurde in der Praxis ausgeführt.
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In
einem ersten Beispiel wurde als eine Feststoff-Komponente eine Mischung von etwa 20
Gewichtsteilen einer Legierung aus Kobalt-50 Gew.-% Aluminium, etwa
5 Gewichtsteilen AlF3, Rest Aluminiumoxid,
zubereitet. Eine Träger-Komponente
von etwa 4 Gew.-% Gentone® AD Ton in Wasser wurde zubereitet.
Etwa 40 Gewichtsteile der Feststoff-Komponente und etwa
60 Gew.-% der Träger-Komponente
wurden miteinander vermischt. Der Überzug wurde in die internen
Durchgänge
der Schaufelblätter von
Hochdruckturbinen-Laufschaufeln injiziert. Die Schaufelblätter wurden
in der oben beschriebenen Weise behandelt durch Trocknen in Luft
bei 180°F
für 24
Stunden und Erhitzen in Wasserstoff bei 1079°C (1975°F) für 4 Stunden. Die Überzugsdicke
betrug etwa 0,0279 mm (0,0011 inch) und der Aluminiumgehalt wurde
in den oberen 5 μm
des Überzuges
zu etwa 16 Gew.-% gemessen.
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Bei
einem zweiten Beispiel wurde das gleiche Herangehen wie im ersten
Beispiel angewandt mit der Ausnahme, dass die Kobalt-Aluminium-Legierung
in der Feststoff-Komponente auf etwa 30 Gew.-% der Mischung erhöht wurde
und die Überzugsdicke
0,0381 mm (0,0015 inches) betrug. In diesem Falle war der Aluminiumgehalt
des Überzuges etwa
22 Gew.-%. Das zweite Herangehen ist aufgrund des höheren Aluminiumgehaltes
des Überzuges
bevorzugt.
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Insgesamt
etwa 175 Hochdruckturbinen-Laufschaufeln wurden durch diese Art
des Herangehens und Variationen davon zubereitet.
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Während die
Quelle der Vorteile der vorliegenden Erfindung nicht sicher bekannt
ist und die Ausführung
der Erfindung ein solches Verstehen nicht erfordert, wird angenommen,
dass ein Ursprung der Schwierigkeiten mit früheren Aufschlämmungs-Überzugstechniken die organischen
Gel bildenden Materialien waren, die in der Aufschlämmung eingesetzt
wurden. Die organischen Gel bildenden Materialien sind vorhanden,
um die Aluminiumquelle, den Halogenid-Aktivator und das Oxid-Dispersionsmittels
in der Träger-Komponente
in Suspension zu halten. Die organischen Komponenten können während des
Trocknens und/oder Erhitzens Verbrennungs-Nebenproduktdämpfe erzeugen,
die zum Festhalten der Reaktionsreste auf der Oberfläche des
Gegenstandes dienen können,
um deren Entfernung nach der Hitzereak tionsstufe zu hemmen oder zu
verhindern. Die Reaktionsprodukte können auch in unerwünschter
Weise den Überzug
verunreinigen.
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Das
vorliegende Herangehen erzielt die Gel bildende Funktion unter Einsatz
eines anorganischen Materials, vorzugsweise des Hectorittones oder
des Bentonittones. Der Einsatz eines organischen Gel bildenden oder
suspendierenden Mittels liegt nicht im Umfang der vorliegenden Erfindung.
Bei dem vorliegenden Herangehen erzeugt der anorganische Ton in
der Träger-Komponente die Gelcharakteristika,
sodass die anderen Feststoffe in Suspension gehalten werden, während die Überzugs-Aufschlämmung auf die
Gegenstands-Oberfläche
aufgebracht wird. Es gibt keine organischen Dämpfe aus dem Gel bildenden
Bestandteil. Der Einsatz von Ton hat den zusätzlichen Nutzen, dass Ton Wasser
leichter während
der Trockenstufe abgibt als ein organisches Material, sodass man
ein vollständigeres
und schnelleres Trocknen erzielt. Die vollständigere Beseitigung von Wasser
ist sehr erwünscht,
weil irgendein Rest Wasser das Aluminium in der Aluminiumquelle
zu Aluminiumoxid oxidiert, was sein Sintern verursacht und das endgültige Entfernen
des überschüssigen Überzugsmaterials
nach der Reaktion verhindert. Die Anwesenheit von Wasser kann dadurch
zur partiellen oder vollständigen
Blockierung der Kühllöcher in
dem Schaufelblatt durch Aluminiumoxid führen, und das Auftreten dieser
unerwünschten
Wirkung wird durch das vorliegende Herangehen vermindert.