DE69326938T2 - ALUMINUM SILICIDE COATINGS, SURFACE COATING COMPOSITIONS, COATING METHODS AND IMPROVED COATED PRODUCTS - Google Patents
ALUMINUM SILICIDE COATINGS, SURFACE COATING COMPOSITIONS, COATING METHODS AND IMPROVED COATED PRODUCTSInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Aluminid-Überzüge zum Aluminieren von hitzebeständigen Legierungssubstraten, auf die aufgeschlämmten Überzugszusammensetzungen für die Überzüge und auf ein Verfahren zum Aufbringen solcher Überzüge, und insbesondere bezieht sich die Erfindung auf zusammengesetzte Überzüge, die mit Aluminium angereicherte Phasen und mit Silizium angereicherte Phasen enthalten, um ihren Widerstand gegenüber einer Hitzekorrosion und Hitzeoxidation zu verbessern.The present invention relates to aluminide coatings for aluminizing heat-resistant alloy substrates, to the slurry coating compositions for the coatings and to a method for applying such coatings, and in particular the invention relates to composite coatings containing aluminum-enriched phases and silicon-enriched phases to improve their resistance to heat corrosion and heat oxidation.
Während des Betriebs werden Bauteile im Turbinenabschnitt eines Gasturbinentriebwerks heißen Verbrennungsgasen ausgesetzt, die Temperaturen von 1200ºC (2200ºF) erreichen können. Diese Bauteile bestehen im typischen Fall aus Superlegierungen mit der Basis von Nickel und Kobalt, die in spezieller Weise angepaßt sind, um bei diesen Temperaturen eine Festigkeit aufrechtzuerhalten. Wenn die Verbrennungsgase jedoch bei derart hohen Temperaturen Sauerstoff ausgesetzt werden, beginnen sich diese hitzebeständigen Materialien in ihre natürliche Metalloxidform umzuwandeln. Die Nickel- und Kobaltoxidkrusten, die sich auf der Oberfläche dieser Legierungen bilden, haften nicht fest an. Während der thermischen Zyklen bilden sie Risse und splittern von der Oberfläche ab, so daß größere Stellen von unbehandeltem Substrat der Umgebung ausgesetzt werden. Auf diese Weise bewirkt die Oxidation eine Aufrauhung der Oberfläche, und schließlich werden ungeschützte Teile, die aus diesen Legierungen bestehen, aufgezehrt (vgl. Fig. 1). Der Zusatz von Natrium oder Verunreinigungen, die Chlor und Schwefel enthalten, zu den Verbrennungsgasen beschleunigt diese Verschlechterung. Über etwa 540ºC (1004ºF) reagieren Natrium und Schwefel und bilden niedrigschmelzende Sulfatsalze, die nicht nur Dioxidfilme auf dem Nickel und Kobalt lösen, sondern außerdem direkt die Substrate angreifen (Fig. 2).During operation, components in the turbine section of a gas turbine engine are exposed to hot combustion gases that can reach temperatures of 1200ºC (2200ºF). These components are typically made of nickel-cobalt-based superalloys specially adapted to maintain strength at these temperatures. However, when the combustion gases are exposed to oxygen at such high temperatures, these refractory materials begin to convert to their natural metal oxide form. The nickel and cobalt oxide scales that form on the surface of these alloys do not adhere firmly. During thermal cycling, they crack and chip away from the surface, exposing large areas of untreated substrate to the environment. In this way, oxidation causes surface roughening and eventually unprotected parts made of these alloys are consumed (see Fig. 1). The addition of sodium or impurities containing chlorine and sulfur to the combustion gases accelerates this deterioration. Above about 540ºC (1004ºF), Sodium and sulphur and form low-melting sulphate salts, which not only dissolve dioxide films on the nickel and cobalt, but also directly attack the substrates (Fig. 2).
Eine Lösung des durch Heißkorrosion und Heißoxidation hervorgerufenen Problems, welche weit verbreitet bei Gasturbinentriebwerken ist, besteht darin, Aluminium in die Oberfläche eines aus einer Superlegierung bestehenden Bauteils einzubringen. Dieses Verfahren ist als Aluminieren oder Aletieren bekannt. Das Aluminium bildet eine stabile Zwischenmetallverbindung sowohl mit Nickel als auch mit Kobalt. Die Oxidschicht, die diese Verbindung bei hohen Temperaturen bildet, ist nicht mehr ein Metalloxid von Nickel oder Kobalt, sondern statt dessen eine zähe fest anhaftende Schutzschicht aus Aluminiumoxid Al&sub2;O&sub3; (vgl. Fig. 3).One solution to the problem caused by hot corrosion and hot oxidation, which is widespread in gas turbine engines, is to introduce aluminum into the surface of a superalloy component. This process is known as aluminizing or aluminizing. The aluminum forms a stable intermetallic compound with both nickel and cobalt. The oxide layer that this compound forms at high temperatures is no longer a metal oxide of nickel or cobalt, but instead a tough, tightly adhering protective layer of aluminum oxide Al₂O₃ (see Fig. 3).
Eine Vielzahl kommerziell verfügbarer Überzüge basiert auf diesem Schutzschema. Gelegentlich wird Aluminium aus einer Dampfphase in einem Verfahren abgelagert, das als 'Pack- Aluminisierung' bekannt geworden ist. Bei der Pack-Aluminisierung reagiert Aluminiumpulver mit Halogenidaktivatoren, um gasförmige Verbindungen zu schaffen, die auf der Metalloberfläche kondensieren und bei ihrer Reaktion Aluminiummetall erzeugen. Die Aluminiumatome diffundieren in das Substrat und reagieren unter Erzeugung zwischenmetallischer Aluminide. Dieses Verfahren wird im einzelnen in mehreren Patentschriften beschrieben, beispielsweise in der US-A-3 257 230 (Wochtell et al.). Dieses Patent wird hiermit als Inhaltsnachweis angeführt.A variety of commercially available coatings are based on this protective scheme. Sometimes aluminum is deposited from a vapor phase in a process that has become known as 'pack aluminization.' In pack aluminization, aluminum powder reacts with halide activators to create gaseous compounds that condense on the metal surface and react to produce aluminum metal. The aluminum atoms diffuse into the substrate and react to produce intermetallic aluminides. This process is described in detail in several patents, for example, U.S. Patent No. 3,257,230 (Wochtell et al.). This patent is hereby incorporated by reference.
Bekannte MCrAlY-Überzugslegierungen beruhen ebenfalls auf Aluminiumoxidfilmen, wodurch ein Hitzekorrosionswiderstand erzeugt wird. Infolge des Vorhandenseins von Chrom und Yttrium im Film braucht der Aluminiumgehalt in diesen Über zügen nicht so hoch zu sein wie bei der Pack-Aluminisierung; jedoch wird der Schutz immer noch von einer dicht anhaftenden Kruste aus Aluminiumoxid abgeleitet.Known MCrAlY coating alloys are also based on aluminum oxide films, which provide heat corrosion resistance. Due to the presence of chromium and yttrium in the film, the aluminum content in these coatings does not need to be The resistance to corrosion does not appear to be as high as with pack aluminizing; however, the protection is still derived from a tightly adhering crust of aluminum oxide.
Die 'Aufschlämm-Aluminisierung' ist ein weiteres alternatives Verfahren zur Erzeugung eines Aluminiumoxid bildenden intermetallischen Aluminid-Überzugs auf einer Superlegierung. Bei dem Aufschlämmprozeß wird zunächst ein mit Aluminium angefüllter Aufschlämm-Überzug auf der Hardware abgelagert. Wenn der überzogene Teil in einer Schutzatmosphäre erhitzt wird, schmilzt das Aluminium in dem Film und reagiert mit dem Substrat, um die gewünschten intermetallischen Phasen zu bilden.'Slurry aluminizing' is another alternative method for producing an alumina-forming aluminide intermetallic coating on a superalloy. In the slurry process, an aluminum-filled slurry coating is first deposited on the hardware. When the coated part is heated in a protective atmosphere, the aluminum in the film melts and reacts with the substrate to form the desired intermetallic phases.
Der demonstrierbare Widerstand der Aluminid-Überzüge gegenüber einer Hitzekorrosion und Hitzeoxidation ist eine Folge der thermodynamischen Stabilität der Aluminiumoxidkruste, die sich darauf bildet. Jedoch haben diese Überzüge eine gewisse Anfälligkeit für 'Niedrigtemperatur'-Hitzekorrosionsfehlstellen bei etwa 700 bis 800ºC durch die Alkalimetalloxide (beispielsweise Na2O) und die sauren Oxide von hitzebeständigen Metallen (beispielsweise MoO3 und W2O3).The demonstrable resistance of aluminide coatings to hot corrosion and hot oxidation is a consequence of the thermodynamic stability of the alumina crust that forms thereon. However, these coatings have some susceptibility to 'low temperature' hot corrosion failures at about 700 to 800ºC from the alkali metal oxides (e.g. Na2O) and the acidic oxides of refractory metals (e.g. MoO3 and W2O3).
Siliziumdioxid (SiO2) ist ein weiteres sehr stabiles Oxid. Wie Aluminium bildet auch Silizium stabile intermetallische Verbindungen (Silizide) mit Nickel und Kobalt, wie auch Chrom und anderen Elementen, die sich im typischen Fall in hitzebeständigen Legierungen finden, beispielsweise Molybdän, Wolfram und Titan. Dies vermindert die Ausseigerung dieser Elemente in die äußere Oberflächenschutzoxidschicht, so daß die Schutzwirkung verbessert wird. Außerdem ist Silizium im Gegensatz zu Aluminium nicht in der Lage, Sulfide zu bilden, und Silizium ist widerstandsfähig gegenüber einer Schwefeldiffusion. Infolgedessen wurden Silizid- Überzüge, die durch Pack-Verfahren oder Aufschlämm-Verfahren erzeugt wurden, auf hitzebeständigen Legierungen benutzt, um den Widerstand gegenüber einer Heißkorrosion und Heißoxidation zu verbessern. Die Silizide haben sich insbesondere als nützlich erwiesen gegenüber schwefelhaltigen Angriffen bei 'niedrigen' Temperaturen von 700 bis 800ºC erwiesen. Die Vorteile von auf Silizium basierenden Überzügen sind häufig beschrieben worden, beispielsweise von F. Fitzer und J. Schlicting in der Druckschrift 'Coatings Containing Chromium, Aluminum and Silicon for High Temperature Alloys', ausgegeben bei einer Versammlung der National Association of Corrosion Engineers vom 2. bis 6. März 1981 in San Diego, Kalifornien, und veröffentlicht auf S. 604-614 in 'High Temperature Corrosion' (ed. Robert A. Rapp). Diese Druckschrift wird hiermit als Verweisung aufgenommen.Silicon dioxide (SiO2) is another very stable oxide. Like aluminum, silicon forms stable intermetallic compounds (silicides) with nickel and cobalt, as well as chromium and other elements typically found in refractory alloys, such as molybdenum, tungsten and titanium. This reduces the segregation of these elements into the outer surface protective oxide layer, thus improving the protective effect. In addition, unlike aluminum, silicon is incapable of forming sulfides, and silicon is resistant to sulfur diffusion. As a result, silicide coatings produced by pack or slurry processes have been used on refractory alloys to improve resistance to hot corrosion. and hot oxidation. The silicides have been found particularly useful against sulphurous attack at 'low' temperatures of 700 to 800ºC. The advantages of silicon-based coatings have been widely described, for example by F. Fitzer and J. Schlicting in the paper 'Coatings Containing Chromium, Aluminum and Silicon for High Temperature Alloys', presented at a meeting of the National Association of Corrosion Engineers held in San Diego, California, March 2-6, 1981, and published on pages 604-614 in 'High Temperature Corrosion' (ed. Robert A. Rapp). This paper is hereby incorporated by reference.
Zur Vermeidung von Mißverständnissen soll erwähnt werden, daß Silizium für die Zwecke dieser Beschreibung als metallisches Element klassifiziert wird.To avoid any misunderstanding, it should be mentioned that silicon is classified as a metallic element for the purposes of this description.
Die Vorteile der Aluminisierung und Silikonisierung werden in Verfahren kombiniert, wo gleichzeitig sowohl Aluminium als auch Silizium auf einer metallischen Oberfläche abgelagert werden, gewöhnlich auf der Oberfläche einer Superlegierung. Ein solches Verfahren, welches in der US-A- 4 310 574 (Deadmore et al.) beschrieben ist, die hiermit als Verweis eingeführt wird, bewirkt eine Ablagerung einer mit Silizium angefüllten organischen Aufschlämmung auf einer Oberfläche, wobei danach die Oberfläche durch eine konventionelle Pack-Aluminisierung mit Aluminium versehen wird. Das Aluminium trägt das Silizium aus der Aufschlämmung mit sich, wenn es in die Superlegierung aus der Pack- Mischung heraus diffundiert. Deadmore et al. ('574) demonstriert, daß das resultierende mit Silizium angereicherte Aluminid einen besseren Widerstand gegenüber Oxidation bei 1093ºC besitzt als Aluminide ohne Silizium.The advantages of aluminizing and siliconizing are combined in processes where both aluminum and silicon are simultaneously deposited on a metallic surface, usually on the surface of a superalloy. One such process, described in US-A-4,310,574 (Deadmore et al.), hereby incorporated by reference, involves depositing a silicon-filled organic slurry on a surface, after which the surface is aluminumized by conventional pack aluminizing. The aluminum carries the silicon from the slurry with it as it diffuses into the superalloy from the pack mixture. Deadmore et al. ('574) demonstrate that the resulting silicon-enriched aluminide has better resistance to oxidation at 1093°C than aluminides without silicon.
Ein weiteres Mittel zur Erzeugung sogenannter 'mit Silizium modifizierter' oder 'mit Silizium angereicherter' Aluminide besteht darin, einen aufgeschlämmten Überzug, der pulve risiertes Aluminium und Siliziummetall enthält, auf einem Legierungssubstrat aufzutragen, das Aluminid und Silizid bildende Elemente enthält, wobei dann eine Erhitzung auf 760ºC (1500ºF) erfolgt. Wenn das Aluminium und das Silizium in der Aufschlämmung schmelzen, reagieren sie mit dem Substrat und diffundieren vorzugsweise. Das Aluminium legiert sich mit Nickel oder Kobalt im Substrat, während das Silizium sich mit Chrom oder anderen Silizidbildnern legiert. Das Endergebnis ist ein zusammengesetzter Aluminid- Silizid-Überzug. Dieses Verfahren wird häufig als siliziummodifiziertes Aufschlämmaluminidverfahren bezeichnet und kommerziell unter dem Markennamen 'SermaLoy J' benutzt (eine Markeneintragung von Sermatech International, Limerick, Pennsylvania, USA).Another means of producing so-called 'silicon-modified' or 'silicon-enriched' aluminides is to apply a slurry coating containing powder ized aluminum and silicon metal to an alloy substrate containing aluminide and silicide-forming elements, followed by heating to 760ºC (1500ºF). As the aluminum and silicon in the slurry melt, they react with the substrate and preferentially diffuse. The aluminum alloys with nickel or cobalt in the substrate, while the silicon alloys with chromium or other silicide formers. The end result is a composite aluminide-silicide coating. This process is often referred to as the silicon modified slurry aluminide process and is used commercially under the brand name 'SermaLoy J' (a trademark registration of Sermatech International, Limerick, Pennsylvania, USA).
Das Metall-Handbuch 'Aluminium Coating of Steels' der American Society for Metals beschreibt auf S. 489-497 das Überziehen von Stahl und Superlegierungen mit Aluminid- Überzügen durch einen Aufschlämm-Prozeß. Hier wird auch das Überziehen von Stahl und Superlegierungen mit Aufschlämmungen beschrieben, die 5 bis 12 Gew.-% Silizium enthalten, um eine Diffusion in das Substrat zu hemmen.The metal handbook 'Aluminium Coating of Steels' of the American Society for Metals describes on pages 489-497 the coating of steel and superalloys with aluminide coatings by a slurry process. It also describes the coating of steel and superalloys with slurries containing 5 to 12 wt.% silicon to inhibit diffusion into the substrate.
Die US-A-4 500 364 beschreibt das Überziehen von Stählen und Superlegierungen mit Aluminium-Silizium-Überzügen durch ein Aufschlämm-Verfahren. Hier wird auch beschrieben, daß die Aufschlämmung ein Aluminium-Silizium-Eutektikum, ein Aluminium-Silizium-Hypereutektikum oder elementares Aluminiumpulver in Kombination mit elementarem Siliziumpulver enthält. Hierdurch wird ein Überzug mit einem Gesamt-Siliziumgehalt von 20 bis 80 Gew.-% erzeugt. Die US-A-5 120 613 beschreibt das Überziehen ferritischer Teile mit einem Aluminium-Silizium-Überzug durch Aufspritzen einer Aluminium-Silizium-Legierung, die 6 bis 15 Gew.-% Silizium enthält.US-A-4 500 364 describes the coating of steels and superalloys with aluminum-silicon coatings by a slurry process. It is also described here that the slurry contains an aluminum-silicon eutectic, an aluminum-silicon hypereutectic or elemental aluminum powder in combination with elemental silicon powder. This produces a coating with a total silicon content of 20 to 80 wt.%. US-A-5 120 613 describes the coating of ferritic parts with an aluminum-silicon coating by spraying an aluminum-silicon alloy containing 6 to 15 wt.% silicon.
Allgemein gesprochen, zielen diese bekannten Techniken und Überzugszusammensetzungen darauf ab, das Silizium in der Schicht des Überzugs zu erhöhen, der den beschriebenen harten Bedingungen ausgesetzt ist.Generally speaking, these known techniques and coating compositions aim to protect the silicon in the layer of the coating exposed to the harsh conditions described.
Legierungssubstrate, die für diese Form von Überzügen geeignet sind, umfassen auf Nickel basierende Superlegierungen, auf Kobalt basierende Superlegierungen und austenitische rostfreie Stähle. Es hat sich gezeigt, daß die Elemente, die den die Legierung bildenden Elementen entsprechen, über das gesamte Ausmaß des Überzugs vorhanden sind, aber unterschiedlich mit Aluminium- und Siliziumbestandteilen des Überzugs kombiniert sind, derart daß die mit Silizium angereicherten Phasen unterschiedlich über die Dicke des Überzugs relativ zu den mit Aluminium angereicherten Phasen verteilt sind.Alloy substrates suitable for this form of coating include nickel-based superalloys, cobalt-based superalloys and austenitic stainless steels. It has been found that the elements corresponding to the alloy-forming elements are present throughout the entire extent of the coating, but are differentially combined with aluminum and silicon components of the coating such that the silicon-enriched phases are differentially distributed throughout the thickness of the coating relative to the aluminum-enriched phases.
Zur Benutzung wird der SermaLoy J-Aufschlämm-Überzug in einer Zusammensetzung geliefert, die aus elementaren Metallpulvern aus Silizium und Aluminium in einer sauren Wasserlösung anorganischer Salze als Binder besteht. Etwa 15 Gew.-% des gesamten Gehalts an Metallpulver der Aufschlämmung ist Siliziumpulver. Die Gesamtzusammensetzung der Aufschlämmung besteht in Gewichtsprozenten etwa aus:For use, the SermaLoy J slurry coating is supplied in a composition consisting of elemental metal powders of silicon and aluminum in an acidic water solution of inorganic salts as a binder. Approximately 15% by weight of the total metal powder content of the slurry is silicon powder. The total composition of the slurry is approximately as follows in weight percent:
Aluminiumpulver - 35%Aluminium powder - 35%
Siliziumpulver - 6%Silicon powder - 6%
Wasser - 47%Water - 47%
Bindersalze (gelöst in Wasser) - 12%Binder salts (dissolved in water) - 12%
Eine bevorzugte Aufbereitung der Zusammensetzung besteht darin, die Metallpulverbestandteile vorher zu mischen und die Binderlösung getrennt herzustellen, worauf das Pulver mit der Lösung gemischt wird. Andere Möglichkeiten der Herstellung der Zusammensetzung können auf einfache Weise geschaffen werden.A preferred way of preparing the composition is to mix the metal powder components beforehand and prepare the binder solution separately, after which the powder is mixed with the solution. Other ways of preparing the composition can be easily created.
Dieser Binder wird so gewählt, daß er zu einer massiven Matrix aushärtet, die die Metallpigmente in Berührung mit der metallischen Oberfläche hält, während die Erhitzung auf Diffusionstemperatur erfolgt. Der Binder ist außerdem derart gewählt, daß er während der Diffusion flüchtig wird, um Reste zu bilden, die nur lose an der Oberfläche haften, nachdem die Diffusion vollendet ist.This binder is chosen to cure into a solid matrix that holds the metal pigments in contact with the metallic surface while heating to diffusion temperature. The binder is also selected such that it volatilizes during diffusion to form residues that only loosely adhere to the surface after diffusion is complete.
In Versuchen hat sich der mit Silizium modifizierte Aluminid-Überzug, der aus der Anwendung der Aufschlämmung auf Superlegierungsgegenstände und nachfolgender Diffusionswärmebehandlung resultierte, als außerordentlich widerstandsfähig gegenüber Angriffen durch Schwefel über einen weiten Bereich von Arbeitstemperaturen erwiesen. Einzelheiten einiger Versuche wurden von der American Society of Mechanical Engineers (ASME) in der folgenden Druckschrift veröffentlicht: F. N. Davis und C. E. Grinell, 'Engine Experience of Turbine Materials and Coatings' (1982). Diese Druckschrift wird als Verweis eingeführt. Dieser Überzug wird neuerdings bei zahlreichen industriellen Turbinen und bei Schiffsturbinen angewandt.In tests, the silicon-modified aluminide coating resulting from application of the slurry to superalloy articles followed by diffusion heat treatment has been shown to be extremely resistant to sulfur attack over a wide range of working temperatures. Details of some of the tests have been published by the American Society of Mechanical Engineers (ASME) in the following publication: F. N. Davis and C. E. Grinell, 'Engine Experience of Turbine Materials and Coatings' (1982). This publication is incorporated by reference. This coating has recently been applied to numerous industrial turbines and to marine turbines.
Die Druckschrift berichtet, daß SermaLoy J einen guten Widerstand gegenüber einer Sulfidation bei niedrigen und hohen Temperaturen gewährleistet. Wegen der sehr zufriedenstellenden Eigenschaften des SermaLoy J-Überzugs wird dieser als Standard zum Vergleich in den Versuchen benutzt, die hier diskutiert werden.The paper reports that SermaLoy J provides good resistance to sulphidation at low and high temperatures. Because of the very satisfactory properties of the SermaLoy J coating, it is used as a standard for comparison in the tests discussed here.
Die theoretische Basis für die obige Verbesserung ist vermutlich die folgende:The theoretical basis for the above improvement is probably the following:
Bei einer Diffusionswärmebehandlung eines Superlegierungssubstrats oder eines Substrats aus austenitischem rostfreiem Stahl, überzogen mit einer Aluminium-Silizium-Aufschlämmung, in einer inerten Atmosphäre oder im Vakuum wird bewirkt, daß gewisse Elemente aus dem Substrat und der Aufschlämmung, die eine spezielle Affinität zueinander besitzen, miteinander diffundieren und miteinander kombiniert werden.Diffusion heat treating a superalloy or austenitic stainless steel substrate coated with an aluminum-silicon slurry in an inert atmosphere or in a vacuum causes certain elements from the substrate and the slurry that have a special affinity for each other to diffuse and combine with each other.
Bei der Diffusionstemperatur wandern Aluminium aus dem Überzug und Nickel und/oder Kobalt aus dem Superlegierungssubstrat oder dem Substrat aus rostfreiem Stahl ineinander und kombinieren sich zwecks Bildung von Nickelaluminiden. In gleicher Weise hat Silizium in dem Überzug eine Affinität zu dem metallischen Chrom des Substrats und mit Molybdän, Tantal und Titan, falls diese Metalle vorhanden sind, und daher erfolgt eine Kombination mit einem oder mehreren dieser Metalle, um Silizide zu bilden.At the diffusion temperature, aluminum from the coating and nickel and/or cobalt from the superalloy or stainless steel substrate migrate into each other and combine to form nickel aluminides. Similarly, silicon in the coating has an affinity for the metallic chromium of the substrate and for molybdenum, tantalum and titanium if these metals are present, and therefore combines with one or more of these metals to form silicides.
Silizium bewegt sich durch den Überzug nach dem Substrat jedoch sehr viel langsamer als das Aluminium, und daher werden die äußeren Teile des Überzugs relativ mit Silizium angereichert. Da in den Superlegierungen und den austenitischen rostfreien Stählen Chrom in sehr viel größeren Mengen enthalten ist als die anderen Elemente, gegenüber denen Silizium eine Affinität aufweist, kombiniert sich das Silizium größtenteils mit dem Chrom, während die Diffusionswärmebehandlung stattfindet, und es wird eine äußere Überzugsschicht erzeugt, die reicher an Chromsilizid ist als der übrige Überzug.However, silicon moves through the coating to the substrate much more slowly than aluminum, and therefore the outer parts of the coating become relatively enriched in silicon. Since chromium is present in the superalloys and austenitic stainless steels in much larger amounts than the other elements for which silicon has an affinity, the silicon largely combines with the chromium during the diffusion heat treatment and an outer coating layer is produced that is richer in chromium silicide than the rest of the coating.
Für eine weitere Bezugnahme in der Beschreibung ist es zweckmäßig, verschiedene Zonen in einem typischen SermaLoy- J-Überzug zu identifizieren, der einer Wärmebehandlung bei 870 bis 885ºC ausgesetzt wurde. Eine Inspektion des Überzugs zeigt eine mit Silizium angereicherte Oberflächenzone, wo Chromsilizid speziell konzentriert ist. Diese Zone geht in eine 'Ablagerungszone' über, die sich tiefer in den Überzug hinein erstreckt und aus abwechselnden Schichten von Silizidphasen und Aluminidphasen besteht. Unter der Ablagerungszone befindet sich eine 'Aluminidzone', wo die Aluminidphasen vorherrschen, aber wo auch Silizidausfällungen vorhanden sind. An der Zwischenfläche mit dem Substratmaterial befindet sich eine Diffusionszone, wo der Überzug und das Substratmaterial ineinander diffundiert sind.For further reference in the specification, it is convenient to identify various zones in a typical SermaLoy-J coating that has been subjected to a heat treatment at 870 to 885°C. Inspection of the coating reveals a silicon-enriched surface zone where chromium silicide is specifically concentrated. This zone transitions into a 'deposition zone' that extends deeper into the coating and consists of alternating layers of silicide phases and aluminide phases. Below the deposition zone is an 'aluminide zone' where the aluminide phases predominate but where silicide precipitates are also present. At the interface with the substrate material is a diffusion zone where the coating and substrate material have diffused into each other.
Die Überzüge gemäß der Erfindung zeigen, wie oben erwähnt, eine unterschiedliche Zusammensetzung dieser Schichten und/oder eine unterschiedliche Dicke der Schichten.The coatings according to the invention show, as mentioned above, a different composition of these layers and/or a different thickness of the layers.
Die vorliegende Anmeldung ist eine Continuation-in-part der Internationalen Patentanmeldung PCT/US93/04507, MULTIPLEX ALUMINIDE-SILICIDE COATING, Mehar C. Meelu, Alan T. Jones und Bruce G. McMordie (Meelu et al.), vom 18. Mai 1993. Diese Anmeldung basiert auf der Britischen Patentanmeldung Nr. 9 210 683.0 vom 19. Mai 1992. Die vorliegende Patentanmeldung nimmt die PCT/US93/04507 als Verweis auf. Eine US-Patentanmeldung entspricht dieser Internationalen Anmeldung. Die vorliegende Anmeldung ist außerdem eine Continuation-in-part-Anmeldung der erwähnten US-Patentanmeldung, die ebenfalls als Verweis eingeführt wird. Weitere Kommentare bezüglich der Internationalen Basis-Patentanmeldung werden weiter unten angegeben.The present application is a continuation-in-part of International Patent Application PCT/US93/04507, MULTIPLEX ALUMINIDE-SILICIDE COATING, Mehar C. Meelu, Alan T. Jones and Bruce G. McMordie (Meelu et al.), dated May 18, 1993. This application is based on British Patent Application No. 9 210 683.0, dated May 19, 1992. The present patent application incorporates PCT/US93/04507 by reference. A US patent application corresponds to this International Application. The present application is also a continuation-in-part of the mentioned US patent application, which is also incorporated by reference. Further comments regarding the base International Patent Application are provided below.
Ein wichtiges Ziel der Erfindung bezieht sich auf einen aufgeschlämmten Aluminid-Überzug, der insbesondere für Superlegierungssubstrate nützlich ist, die im Betrieb häufig Sauerstoff in Gasen bei hohen Temperaturen ausgesetzt sind. Dieser Überzug hat einen verbesserten Widerstand gegenüber Rissebildung im Betrieb, und es wird ein sehr zufriedenstellender Widerstand gegenüber Oxidations- und Korrosionsbedingungen bei Hitze aufrechterhalten.An important object of the invention relates to a slurry aluminide coating which is particularly useful for superalloy substrates which are frequently exposed to oxygen in gases at high temperatures during service. This coating has improved resistance to cracking during service and very satisfactory resistance to oxidation and corrosion conditions at heat is maintained.
Gemäß der Erfindung wurde gefunden, daß eine Überzugszusammensetzung, die eine Aufschlämmung von Metallpulvern in elementarer Form aufweist und Aluminium und Silizium und wenigstens eines der folgenden Metalle enthält: Chrom, Titan, Tantal, Rhenium, Mangan, Hafnium, Vanadium und Niob, Überzüge liefert, die unerwartet bessere Eigenschaften haben als bekannte Überzüge einschließlich der SermaLoy J- Überzüge.According to the invention, it has been found that a coating composition comprising a slurry of metal powders in elemental form and containing aluminum and silicon and at least one of the following metals: chromium, titanium, tantalum, rhenium, manganese, hafnium, vanadium and niobium provides coatings which have unexpectedly improved properties have known coatings including SermaLoy J coatings.
Gemäß der Erfindung wurde weiter gefunden, daß ein Überzug, der aus einer Aufschlämmung eines eutektischen Aluminium- Silizium-Pulvers und einem zusätzlichen metallischen Pulver in elementarer Form aus wenigstens einem Metall der Gruppe, die Cr, Ti, Ta, Re, Mn, Hf, V und Nb enthält, in einem aushärtbaren Binder besteht, Überzüge ergibt, die unerwartet bessere Eigenschaften gegenüber den bekannten Überzügen aufweisen, und zwar einschließlich den SermaLoy J-Überzügen.According to the invention, it has been further discovered that a coating consisting of a slurry of a eutectic aluminum-silicon powder and an additional metallic powder in elemental form of at least one metal from the group consisting of Cr, Ti, Ta, Re, Mn, Hf, V and Nb in a curable binder provides coatings having unexpectedly better properties than known coatings, including SermaLoy J coatings.
Gemäß der Erfindung werden Aufschlämmungen, die von einer ausschließlich eutektischen Aufschlämmung abweichen, weiter unten behandelt.According to the invention, slurries other than a purely eutectic slurry are discussed below.
Gemäß der Erfindung wurden gewisse Verfahrensänderungen entdeckt, die insbesondere gut geeignet sind, um Überzüge verbesserter Eigenschaften zu liefern. Insbesondere hat sich gezeigt, daß das in der oben erwähnten Internationalen und US-Patentanmeldung beschriebene Verfahren anwendbar ist, um ein gewähltes Superlegierungssubstrat mit den Zusammensetzungen gemäß der Erfindung zu überziehen.In accordance with the invention, certain process modifications have been discovered which are particularly well suited to providing coatings of improved properties. In particular, the process described in the above-mentioned International and United States patent application has been found to be applicable to coating a selected superalloy substrate with the compositions of the invention.
Gewisse einzelne Aspekte der Erfindung werden im folgenden beschrieben.Certain individual aspects of the invention are described below.
Ein wichtiges Merkmal der Erfindung besteht darin, daß Aluminid-Silizid-Überzüge insgesamt eine gleichmäßigere Verteilung ihrer Bestandteile liefern, insbesondere was die Silizide über die gesamte Dicke betrifft.An important feature of the invention is that aluminide-silicide coatings provide overall a more uniform distribution of their components, particularly as regards the silicides throughout the entire thickness.
Ein weiteres Merkmal der Erfindung sind Überzüge mit verminderten Überkonzentrationen des Siliziumgehalts in der Oberflächenzone solcher Überzüge, und es ergibt sich eine erhöhte Tiefe der erwähnten mit Silizium angereicherten Oberflächenzone und der Ablagerungszone und eine erhöhte Dispersion der Silizidphasen innerhalb der Aluminid-Zone.A further feature of the invention are coatings with reduced over-concentrations of silicon content in the surface zone of such coatings, resulting in an increased depth of the aforementioned silicon-enriched surface zone and the deposition zone and an increased dispersion of the silicide phases within the aluminide zone.
Die Erfindung wird im folgenden im einzelnen beschrieben.The invention is described in detail below.
Der Ausdruck 'Superlegierung' ist in der Technik allgemein bekannt. In der vorliegenden Beschreibung wird dieser Ausdruck benutzt, um auf Nickel und Kobalt basierende Legierungen Bezug zu nehmen, die als Substrat für die erfindungsgemäßen Überzüge geeignet sind. Substrate aus austenitischem rostfreiem Stahl sind jedoch ebenfalls für wenigstens einige der erfindungsgemäßen Überzüge geeignet, und sie werden für die Zwecke der Erfindung als Superlegierungen angesehen.The term 'superalloy' is well known in the art. In the present specification, this term is used to refer to nickel and cobalt based alloys suitable as substrates for the coatings of the invention. However, austenitic stainless steel substrates are also suitable for at least some of the coatings of the invention and are considered superalloys for the purposes of the invention.
Überzüge gemäß der Erfindung und bekannte Überzüge werden in Verbindung mit der beiliegenden Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen:Coatings according to the invention and known coatings are described in conjunction with the accompanying drawing. In the drawing:
Fig. 1 das, was geschieht, wenn ein typisches Substrat einer ungeschützten Oberfläche einer Superlegierung reinen Verbrennungsgasen ausgesetzt wird,Fig. 1 what happens when a typical substrate of an unprotected superalloy surface is exposed to pure combustion gases,
Fig. 2 das, was geschieht, wenn ein typisches Substrat einer ungeschützten Superlegierungsoberfläche den Brenngasen ausgesetzt wird, die Verunreinigungen aufweisen, welche Chlor und Schwefel enthalten, die sich häufig in der Meeresatmosphäre unter den Bedingungen der Heiß-Korrosion bzw. Heiß-Sulfidation finden,Fig. 2 what happens when a typical substrate of an unprotected superalloy surface is exposed to combustion gases containing impurities containing chlorine and sulfur, which are often found in the marine atmosphere under hot corrosion and hot sulfidation conditions, respectively.
Fig. 3 ein typisches Superlegierungssubstrat, welches aluminisiert wurde, um einen diffundierten Aluminid-Überzug mit einer gut anhaftenden Schutzschicht aus Aluminiumoxid (Al2O3) zu schaffen,Fig. 3 a typical superalloy substrate which has been aluminized to create a diffused aluminide coating with a well-adhering protective layer of aluminum oxide (Al2O3),
Fig. 4 eine photomikrographische Ansicht eines Querschnitts eines normalen SermaLoy J-Aluminid-Silizid-Über zugsbeispiels bei 500-facher Vergrößerung, wobei der Überzug auf einem auf Nickel basierenden Superlegierungssubstrat aufgebracht ist,Fig. 4 is a photomicrographic view of a cross-section of a normal SermaLoy J aluminide silicide coating example at 500x magnification, with the coating applied to a nickel-based superalloy substrate,
Fig. 5 bis 13 gleiche photomikrographische Schnitte durch andere Aluminid-Silizid-Überzugsbeispiele, deren Struktur, Zusammensetzung oder Wärmebehandlung gemäß der vorliegenden Erfindung modifiziert wurde,Fig. 5 to 13 are identical photomicrographic sections through other aluminide silicide coating examples whose structure, composition or heat treatment has been modified in accordance with the present invention,
Fig. 14A und 14B graphische Darstellungen, die das Ergebnis der Mikro-Elektronen-Sonden-Analyse (EPMA) für die Verteilung der verschiedenen Schutzüberzüge und Superlegierungssubstratelemente für den Überzug gemäß Fig. 4 zeigen, wobei die elementare Menge in Atomprozenten in Fig. 14A und in Gewichtsprozenten in Fig. 14B gegenüber einer Skala von Mikrometern durch die Probe aufgetragen ist,Figs. 14A and 14B are graphs showing the result of the Electron Probe Micro Analysis (EPMA) for the distribution of the various protective coatings and superalloy substrate elements for the coating of Fig. 4, with the elemental amount in atomic percent in Fig. 14A and in weight percent in Fig. 14B plotted against a scale of micrometers through the sample,
Fig. 15 bis 22, 31A und 31B graphische Darstellungen der Ergebnisse von EPMA-Tests für andere gewählte Überzugsbeispiele, wobei elementare Mengen in Gewichtsprozenten aufgetragen sind gegenüber einer Mikrometerskala durch die Proben,Figs. 15 to 22, 31A and 31B are graphical representations of the results of EPMA tests for other selected coating examples, with elemental amounts in weight percent plotted against a micrometer scale through the samples,
Fig. 23 bis 25 graphische Darstellungen, welche das Ergebnis des beschleunigten Heiß-Korrosions-Versuchs von Teststücken veranschaulichen, die mit verschiedenen Aluminid-Silizid-Überzügen versehen sind, welche untersucht wurden, wobei der Gewichtsverlust in Milligramm abgetragen ist gegenüber der Versuchszeit in Stunden, undFig. 23 to 25 are graphs illustrating the result of the accelerated hot corrosion test of test pieces coated with various aluminide silicide coatings under investigation, with the weight loss in milligrams plotted against the test time in hours, and
Fig. 26 bis 30 und 32 Photomikrographien der verschiedenen Überzugsbeispiele.Fig. 26 to 30 and 32 Photomicrographs of the various coating examples.
Die Erfindung schafft verschiedene neuartige Ausführungsbeispiele. Ein Ausführungsbeispiel bezieht sich auf eine Überzugszusammensetzung, die aus einer Aufschlämmung besteht, welche verschiedene Metalle in elementarer Pulverform (oder Zustand) in einem flüssigen Binder enthält, der vorzugsweise durch Wärme aushärtbar ist. Ein Aspekt dieses Ausführungsbeispiels ist ein Pulver, das aus metallischen Bestandteilen besteht, und zwar in erster Linie aus Aluminium und Silizium und anderen, später zu beschreibenden Metallen. Das Pulver der Mischung aus Metallen wird dem Binder zugesetzt, der einen weiten pH-Bereich haben kann und der vorzugsweise ein saurer Binder ist.The invention provides several novel embodiments. One embodiment relates to a coating composition consisting of a slurry containing various metals in elemental powder form (or state) in a liquid binder which is preferably heat curable. One aspect of this embodiment is a powder consisting of metallic components, primarily aluminum and silicon and other metals to be described later. The powder of the mixture of metals is added to the binder which may have a wide pH range and is preferably an acidic binder.
Die Erfindung schafft außerdem ein Verfahren, mit dem eine wäßrige Zusammensetzung auf einem Superlegierungssubstrat aufgebracht wird und wodurch ein Überzug erzeugt wird, der einen hohen Widerstand gegenüber einer Hitzeoxidation und einer Hitzekorrosion aufweist und außerdem einen verbesserten Widerstand gegenüber Rissebildung.The invention also provides a method of applying an aqueous composition to a superalloy substrate to produce a coating having high resistance to heat oxidation and heat corrosion and also having improved resistance to cracking.
Die Erfindung schafft auch verbesserte Überzüge, die unter derartigen herrschenden Bedingungen einen verbesserten Widerstand gegenüber Rissebildung haben, insbesondere gegenüber dem Einsatz der Rissebildung.The invention also provides improved coatings which have improved resistance to cracking under such prevailing conditions, particularly to the onset of cracking.
Die Erfindung schafft auch verbesserte Werkstücke, die mit solchen Überzügen versehen sind, beispielsweise Teile von Gasturbinen für industrielle Zwecke, für die Schiffahrt und für andere Zwecke, beispielsweise Rotorschaufeln, Turbinenschaufeln, Gehäuse und andere Teile.The invention also provides improved workpieces provided with such coatings, for example parts of gas turbines for industrial purposes, for marine purposes and for other purposes, for example rotor blades, turbine blades, housings and other parts.
Die Erfindung schafft weitere neuartige Ausführungsbeispiele.The invention creates further novel embodiments.
Ein Ausführungsbeispiel bezieht sich auf eine Aufschlämmung von eutektischem Aluminium-Silizium-Pulver in einem durch Hitze aushärtbaren flüssigen Binder. Die Aufschlämmung ist insbesondere geeignet zur Herstellung von Überzügen auf, Superlegierungssubstraten, die im Betrieb häufig dem Sauerstoff in Gasen bei hohen Temperaturen ausgesetzt sind, und welche Überzüge normalerweise dazu tendieren, Risse zu entwickeln. Die Aufschlämmung gemäß der Erfindung trägt dazu bei, diese Probleme zu überwinden. Die Aufschlämmung kann andere Metalle in ihrem elementaren Zustand enthalten, welche zusätzliche günstige Eigenschaften besitzen, wie dies nachstehend beschrieben wird.One embodiment relates to a slurry of eutectic aluminum-silicon powder in a heat-curable liquid binder. The slurry is particularly suitable for producing coatings on superalloy substrates which are frequently exposed to oxygen in gases at high temperatures during service and which coatings normally tend to develop cracks. The slurry according to the invention helps to overcome these problems. The slurry may contain other metals in their elemental state which have additional beneficial properties as described below.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel bezieht sich die Erfindung auf Überzüge, die auf solchen Superlegierungen aus Aufschlämmungen gebildet sind, die eine solche eutektische Aluminium-Silizium-Legierung enthalten. Die Überzüge haben eine verbesserte Dispersion der Legierungen von Silizium und den Metallen des Substrats, und zwar über die gesamte Dicke des Überzugs. Außerdem besitzen die Überzüge gemäß der Erfindung einen verminderten Siliziumgehalt und eine erhöhte Aluminiumverteilung in der äußeren Zone der Überzüge. Die Überzüge gemäß der Erfindung besitzen ausgezeichnete Eigenschaften, insbesondere sind sie bemerkenswert widerstandsfähig im Hinblick auf die Einleitung oder den Start von Mikrorissen im Überzug, und sie haben eine verbesserte Dehnbarkeit.According to a further embodiment, the invention relates to coatings formed on such superalloys from slurries containing such an eutectic aluminum-silicon alloy. The coatings have an improved dispersion of the alloys of silicon and the metals of the substrate throughout the entire thickness of the coating. In addition, the coatings according to the invention have a reduced silicon content and an increased aluminum distribution in the outer zone of the coatings. The coatings according to the invention have excellent properties, in particular they are remarkably resistant to the initiation or start of microcracks in the coating and they have improved ductility.
Ein markanter Aspekt der Überzüge gemäß der Erfindung besteht darin, daß die Silizide gleichförmiger verteilt oder dispergiert (oder rückverteilt) über die gesamte Dicke der Überzüge sind, als dies bei Überzügen bekannter Art, im typischen Fall des Überzugs SermaLoy J, der Fall ist. Insbesondere tendiert die Erfindung dazu, anstatt hochverdichtet gepackter, miteinander verbundener Schichten von Aluminid- und Silizidphasen weniger dicht gepackte Schichten vorzusehen. Unter optimalen Bedingungen sind die Silizidschichten in größerem Abstand angeordnet, und die Alu minidschicht tendiert zum Wachsen, und die Silizidpartikel werden gleichmäßiger darüber und die anderen Schichten des Überzugs verteilt.A striking aspect of the coatings according to the invention is that the silicides are more uniformly distributed or dispersed (or redistributed) throughout the thickness of the coatings than is the case with coatings of the prior art, in the typical case of the SermaLoy J coating. In particular, the invention tends to provide less densely packed layers of aluminide and silicide phases rather than highly densely packed, interconnected layers. Under optimum conditions, the silicide layers are spaced further apart and the aluminide and silicide phases are more uniformly distributed throughout the thickness of the coatings. minid layer tends to grow and the silicide particles become more evenly distributed over it and the other layers of the coating.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung wird ein Überzug geschaffen, bei welchem keine Oberflächenschicht vorhanden ist, d. h. wo die erste äußere Schicht, die als Ablagerungszone bezeichnet wird, Schichten von Silizidphasen und Aluminidphasen enthält.According to a further embodiment of the invention, a coating is provided in which no surface layer is present, i.e. where the first outer layer, referred to as the deposition zone, contains layers of silicide phases and aluminide phases.
Die Erfindung schafft weiter ein Verfahren zur Erzeugung der eutektischen Aufschlämmung, wobei elementares Aluminium und Silizium in eutektischen Anteilen zusammengebracht werden und dann das eutektische Legierungspulver erzeugt wird. Danach wird nach einer bestimmten Zeit, wenn dies gewünscht wird, das eutektische Pulver mit oder ohne fakultativen anderen Metallpulvern in eine flüssige Binderlösung gemischt.The invention further provides a method for producing the eutectic slurry, wherein elemental aluminum and silicon are brought together in eutectic proportions and then the eutectic alloy powder is produced. Thereafter, after a certain time, if desired, the eutectic powder is mixed with or without optional other metal powders into a liquid binder solution.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel wird ein Verfahren geschaffen, um ein Superlegierungssubstrat mit einer Aufschlämmung zu überziehen, wobei die Überzüge ausgehärtet einer Diffusionserhitzung unterworfen werden, wonach man das mit dem Überzug versehene Substrat erhitzt und abkühlen läßt, oder wobei man den Überzug aushärtet.According to another embodiment, a method is provided for coating a superalloy substrate with a slurry, wherein the coatings are cured, subjected to diffusion heating, followed by heating the coated substrate and allowing it to cool, or curing the coating.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel bezieht sich auf die überzogenen Werkstücke, allgemein auf metallische Werkstücke, die eine Superlegierungskomponente besitzen, die mit dem erfindungsgemäßen Überzug versehen wird. Teile, die insbesondere von dem Überzug nach der Erfindung nützlich Gebrauch machen, sind Teile von Gasturbinen.A further embodiment relates to the coated workpieces, generally to metallic workpieces, which have a superalloy component which is provided with the coating according to the invention. Parts which make particularly useful use of the coating according to the invention are parts of gas turbines.
Gemäß einem Aspekt dieser Erfindung kann der Diffusionsprozeß so oft angewandt werden, wie dies notwendig erscheint, und zwar gemäß dem Prozeß, wie er in der oben erwähnten PCT-Anmeldung PCT/US93/04507 beschrieben ist. Überzüge mit weiteren verbesserten Eigenschaften können erhalten werden.According to one aspect of this invention, the diffusion process can be applied as often as necessary, according to the process described in the above-mentioned PCT application PCT/US93/04507. Coatings with further improved properties can be obtained.
Weitere Ausführungsbeispiele der Erfindung ergeben sich aus der folgenden detaillierten Beschreibung.Further embodiments of the invention emerge from the following detailed description.
In der Beschreibung der Erfindung sind die Ausdrücke 'Zone' und 'Schicht' auswechselbar benutzt.In the description of the invention, the terms 'zone' and 'layer' are used interchangeably.
Aus der obigen Beschreibung und der nachstehend folgenden Beschreibung ergibt sich, daß eine wichtige technische Lehre der Erfindung in der Verteilung von Silizidphasen und Aluminidphasen im Überzug besteht, wobei die Verteilung von der Verteilung der Legierungen in den Überzügen nach dem Stand der Technik anders ist. Insbesondere sind die Silizide gleichmäßiger über den Überzug verteilt.From the above description and the description below, it is clear that an important technical teaching of the invention is the distribution of silicide phases and aluminide phases in the coating, which distribution is different from the distribution of alloys in the coatings according to the prior art. In particular, the silicides are more evenly distributed over the coating.
Versuche und Erfahrungen, die in Verbindung mit der Erfindung und in Verbindung mit Teilen gewonnen wurden, die harten Umgebungstemperaturen ausgesetzt wurden, lassen erkennen, daß die äußeren Silizidphasen eines bekannten SermaLoy J-Überzugs der Schlüssel zu dem verbesserten Heiß- Korrosionswiderstand sind. Diese Phasen versetzen anscheinend einen Teil der verwundbaren Aluminidphasen von der Oberflächenschicht. Leider werden diese kritischen Silizidphasen übermäßig in der Oberflächenzone der Überzugsmikrostruktur konzentriert, nachdem eine typische Überzugs- und Diffusionsbehandlung durchgeführt wurde, insbesondere wenn das Verfahren in Verbindung mit Superlegierungen benutzt wurde. Der Siliziumgehalt der Oberflächenzone kann bis zu bis 40 Gew.-% betragen, im Gegensatz zu 10 bis 20 Gew.-% insgesamt im Überzug. Dies scheint den äußeren Teil des Überzugs empfänglich zu machen für Mikrorissebildungen nach einer langen Betriebsdauer. Das Fortschreiten der Risse geschieht schnell, nachdem ein Riß eingeleitet wurde, selbst wenn der Grenzwert für die Einleitung hoch ist. Obgleich die Risse zunächst nicht sehr schwerwiegend erscheinen, weil sie nicht in das Superlegierungssubstrat fortschreiten, so wäre es doch höchst wünschenswert, ihr Auftreten zu verhindern oder sie an einer Durchdringung des Überzugs zu hindern, da schließlich hierdurch Korrosionspfade nach dem Substrat geöffnet werden. Dies ist natürlich ein schwerwiegendes Problem. Die Erfindung trägt dazu bei, dieses Problem zu lösen.Tests and experience gained in connection with the invention and in connection with parts exposed to severe ambient temperatures indicate that the outer silicide phases of a known SermaLoy J coating are the key to the improved hot corrosion resistance. These phases appear to displace some of the vulnerable aluminide phases from the surface layer. Unfortunately, these critical silicide phases become excessively concentrated in the surface zone of the coating microstructure after a typical coating and diffusion treatment is performed, particularly when the process is used in conjunction with superalloys. The silicon content of the surface zone can be as high as 40 wt.%, as opposed to 10 to 20 wt.% overall in the coating. This appears to make the outer portion of the coating susceptible to microcracking after a long period of service. Crack propagation occurs rapidly after a crack is initiated, even when the threshold for initiation is high. Although the cracks do not initially appear to be very serious because they do not propagate into the superalloy substrate, it would be highly desirable to prevent their occurrence or to prevent them from penetrating the coating. because this ultimately opens up corrosion paths to the substrate. This is of course a serious problem. The invention helps to solve this problem.
Es scheint ferner, daß der Aluminiumkonzentrationspegel wenigstens innerhalb des Nickel-Aluminid-Überzugs, aber wahrscheinlich auch innerhalb von Kobalt-Aluminid-Überzügen etwa zwischen 20 und 30 Gew.-% liegen sollte, vorzugsweise bei etwa 25 bis 30 Gew.-%. Nickel-Aluminid-Überzüge mit Aluminiumkonzentrationen von weniger als 20 bis 25 Gew.-% haben die Neigung zu einem unzureichenden Oxidationswiderstand, während Überzüge mit Aluminiumkonzentrationen über etwa 30 Gew.-% anfällig sind für eine Rissebildung und einen vorzeitigen Ausfall. Der Grund dafür liegt darin, daß ein Nickel-Aluminid-Überzug mit hohen Aluminiumkonzentrationen dazu neigt, eine mehrphasige Aluminidstruktur zu erzeugen, die die mechanischen Eigenschaften des Überzugs ungünstig beeinflußt.It further appears that the aluminum concentration level, at least within the nickel aluminide coating, but probably also within cobalt aluminide coatings, should be between about 20 and 30 wt.%, preferably about 25 to 30 wt.%. Nickel aluminide coatings with aluminum concentrations less than 20 to 25 wt.% tend to have insufficient oxidation resistance, while coatings with aluminum concentrations above about 30 wt.% are prone to cracking and premature failure. The reason for this is that a nickel aluminide coating with high aluminum concentrations tends to produce a multiphase aluminide structure which adversely affects the mechanical properties of the coating.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Aufschlämm-Überzugszusammensetzung geschaffen, die zur Erzeugung eines Aluminid-Silizid-Überzugs geeignet ist. Die Aufschlämmung besteht aus einem Metallpulver in elementarer Form in einer Binderflüssigkeit. Die Metallpulverkomponente der Aufschlämmzusammensetzung umfaßt in Gewichtsprozenten die folgenden Bestandteile in den jeweiligen Bereichen:According to one aspect of the present invention, there is provided a slurry coating composition suitable for producing an aluminide silicide coating. The slurry consists of a metal powder in elemental form in a binder liquid. The metal powder component of the slurry composition comprises, in weight percent, the following ingredients in the respective ranges:
Al - 30 bis 92,5%, vorzugsweise 70 bis 92,5%, und noch zweckmäßiger 75 bis 85%,Al - 30 to 92.5%, preferably 70 to 92.5%, and more preferably 75 to 85%,
Si - 5 bis 25%, vorzugsweise 10 bis 25%, und noch zweckmäßiger 10 bis 20%,Si - 5 to 25%, preferably 10 to 25%, and more preferably 10 to 20%,
Cr - 2,5 bis 20%, vorzugsweise 3 bis 10%,Cr - 2.5 to 20%, preferably 3 to 10%,
wobei die Metallpulverbestandteile in elementarer Form vorliegen.where the metal powder components are present in elemental form.
Fakultative Bestandteile sind weiterhin Ti, Ta und B, die in der Zusammensetzung vorhanden sind, und zwar vorzugsweise in den folgenden Mengen: Ti - 0 bis 10%, vorzugsweise 2 bis 5%; Ta - 0 bis 10%, vorzugsweise 2 bis 5%, und Bor in einem Anteil von 0 bis 2,5%, vorzugsweise 0,5 bis 2%, und noch zweckmäßiger von etwa 0,5 bis 1%. Ti und Ta sind vorzugsweise zusammen vorhanden.Optional components are further Ti, Ta and B, which are present in the composition, preferably in the following amounts: Ti - 0 to 10%, preferably 2 to 5%; Ta - 0 to 10%, preferably 2 to 5%, and boron in an amount of 0 to 2.5%, preferably 0.5 to 2%, and more preferably about 0.5 to 1%. Ti and Ta are preferably present together.
Aus den obigen Ausführungen ergibt sich, daß gemäß der Erfindung der maximale Aluminiumgehalt von 92,5% genügend hoch ist, so daß ein Überzug geschaffen werden kann mit den erwähnten minimalen Bestandteilen der anderen metallischen Elemente. In gleicher Weise reicht ein minimaler Aluminiumgehalt von 30% aus, um einen Überzug zu schaffen, der die erwähnten maximalen Anteile der anderen metallischen Elemente enthält. Zusammensetzungen mit Metallmengen, die von den oberen und unteren Maximalwerten abweichen, ergeben offenbar nicht Zusammensetzungen mit den gewünschten Eigenschaften. Insbesondere ist festzustellen, daß es um so schwieriger ist, das Aluminium in den Überzug zu schmelzen und leicht zu diffundieren, je niedriger der Aluminiumgehalt der Aufschlämmung ist. Demgemäß ist es zweckmäßig, den Bereich des Aluminiumgehalts in den erwähnten Grenzen zu halten.From the above it is clear that according to the invention the maximum aluminium content of 92.5% is sufficiently high so that a coating can be created with the mentioned minimum proportions of the other metallic elements. Similarly a minimum aluminium content of 30% is sufficient to create a coating containing the mentioned maximum proportions of the other metallic elements. Compositions with amounts of metal deviating from the upper and lower maximum values obviously do not give compositions with the desired properties. In particular it is noted that the lower the aluminium content of the slurry, the more difficult it is for the aluminium to melt into the coating and to diffuse easily. Accordingly it is expedient to keep the range of aluminium content within the mentioned limits.
Die vorliegende Erfindung umfaßt Bereiche mit Siliziumgehalt in der Metallpulverkomponente der Aufschlämmung, die beträchtlich größer sind als die 15 Gew.-%, die sich in der SermaLoy J-Legierung finden. Es ist ein wichtiger Aspekt der Erfindung, daß als Ergebnis der Diffusionswärmebehandlung der Überzüge, die aus den mit Silizium angereicherten Aufschlämmungen erzeugt werden, die Mikrostruktur des Überzugs reicher an Silizium wird; dadurch wird mehr Silizium unmittelbar verfügbar zur Kombination mit Chrom und anderen Silizidbildnern, die im Substrat und im Überzug vorhanden sind, bevor das umgebende Material relativ von Aluminium entleert wird infolge der schnellen Diffusion von Aluminium durch den Überzug. Gemäß der Erfindung bildet das zusätzliche Silizium in der Aufschlämmung dickere silizidreiche Oberflächenzonen.The present invention includes regions of silicon content in the metal powder component of the slurry that are considerably greater than the 15 wt.% found in the SermaLoy J alloy. It is an important aspect of the invention that as a result of diffusion heat treating the coatings produced from the silicon enriched slurries, the microstructure of the coating becomes richer in silicon; thereby, more silicon becomes immediately available for combination with chromium and other silicide formers present in the substrate and coating before the surrounding material is relatively depleted of aluminum due to the rapid diffusion of aluminum. through the coating. According to the invention, the additional silicon in the slurry forms thicker silicide-rich surface zones.
Die erfindungsgemäßen Überzüge, die aus Aufschlämmungen hergestellt sind, die Aluminium in Form von elementaren Metallpulvern unter den 85 Gew.-% von Al in der SermaLoy J- Legierung enthalten, d. h. von etwa 65 bis unter etwa 85 Gew.-%, unterscheiden sich gegenüber der SermaLoy J- Legierung durch diesen kleineren Anteil von Al und durch das Vorhandensein der anderen metallischen Elemente, die hier identifiziert werden.The coatings of the invention prepared from slurries containing aluminum in the form of elemental metal powders below the 85 wt.% of Al in the SermaLoy J alloy, i.e., from about 65 to below about 85 wt.%, are distinguished from the SermaLoy J alloy by this smaller proportion of Al and by the presence of the other metallic elements identified herein.
Die Überzüge gemäß der Erfindung, die aus einer Aufschlämmung hergestellt werden, die Silizium des Metallpulvers in elementarer Form unter 15 Gew.-% von Silizium in der Serma-Loy J-Legierung, d. h. von etwa 5 bis ungefähr 15 Gew.-%, enthalten, unterscheiden sich gegenüber der SermaLoy J- Legierung durch diesen geringeren Anteil von Silizium und durch das Vorhandensein der anderen metallischen Elemente, die hier identifiziert werden.The coatings according to the invention, which are prepared from a slurry containing silicon of the metal powder in elemental form less than 15% by weight of silicon in the SermaLoy J alloy, i.e. from about 5 to about 15% by weight, are distinguished from the SermaLoy J alloy by this lower proportion of silicon and by the presence of the other metallic elements identified herein.
Die erfindungsgemäßen Überzüge, die aus Aufschlämmungen hergestellt sind, die Aluminium und Silizium in den unteren beschriebenen Bereichen enthalten, unterscheiden sich daher durch diese zwei reduzierten Anteile und das Vorhandensein der anderen metallischen Komponenten.The coatings of the invention, prepared from slurries containing aluminum and silicon in the ranges described below, are therefore distinguished by these two reduced proportions and the presence of the other metallic components.
Überzüge gemäß der Erfindung, die aus Aufschlämmungen hergestellt sind, die Al und/oder Si in Anteilen über 85 Gew.-% für Al und/oder Silizium über 15 Gew.-% enthalten, unterscheiden sich gegenüber der SermaLoy J-Legierung wegen der höheren Anteile von Al und/oder Si. In gleicher Weise war nicht zu erwarten, daß diese Aufschlämmungen solche verbesserten Überzüge ergeben.Coatings according to the invention prepared from slurries containing Al and/or Si in amounts above 85 wt.% for Al and/or silicon above 15 wt.% differ from the SermaLoy J alloy because of the higher amounts of Al and/or Si. Likewise, these slurries were not expected to produce such improved coatings.
Diese verschiedenen Überzüge besitzen eine Kombination von vorteilhaften Eigenschaften, die im Hinblick auf die Serma Loy J-Legierung nicht vorhersehbar waren, ungeachtet der Tatsache, daß die SermaLoy J-Legierung in großem Umfang benutzt wurde.These different coatings have a combination of advantageous properties that are important in terms of Serma Loy J alloy were not foreseeable, despite the fact that SermaLoy J alloy was used on a large scale.
Das Chrommetall in der Aufschlämmungs-Überzugszusammensetzung der Erfindung ist ein Silizidbildner, und daher wird das Chrom während der Diffusionswärmebehandlung von dem Silizium angezogen. Da das Chrom bereits über den ganzen Überzug zu Beginn der Diffusion vorhanden ist, bindet es das benachbarte Silizium schnell und erzeugt eine gleichmäßigere Verteilung der Silizidphasen in der Masse des Überzugs als es bei dem SermaLoy J-Überzug der Fall war. Da kein Metall in der Aufschlämmung vorhanden ist, für das der Überzug der SermaLoy J-Legierung gemacht wurde, beruht die Erzeugung von Chromsilizid bei dieser bekannten Legierung auf einem Legierungsvorgang mit Chrom, das in dem metallischen Substrat vorhanden ist. Demgemäß wird bei dem Überzug gemäß der Erfindung das Chromsilizid prinzipiell aus dem Chrom in der Überzugszusammensetzung gebildet und nicht aus dem Chrom im Substrat.The chromium metal in the slurry coating composition of the invention is a silicide former and therefore the chromium is attracted to the silicon during the diffusion heat treatment. Since the chromium is already present throughout the coating at the beginning of diffusion, it quickly binds the adjacent silicon and produces a more uniform distribution of the silicide phases in the bulk of the coating than was the case with the SermaLoy J coating. Since no metal is present in the slurry for which the SermaLoy J alloy coating was made, the production of chromium silicide in this known alloy is based on an alloying process with chromium present in the metallic substrate. Accordingly, in the coating according to the invention the chromium silicide is formed principally from the chromium in the coating composition and not from the chromium in the substrate.
Es hat sich gemäß der Erfindung auch gezeigt, daß durch Zusatz von sogar ganz kleinen Mengen von Chrom zu dem gesamten metallischen Pigmentgehalt der Aufschlämmung, beispielsweise 3 bis 5 Gew.-% auf Kosten des Aluminiumgehalts, eine dickere silizidreiche Oberflächenzone und/oder eine Ablagerungszone mit weniger Rissen erhalten werden kann, d. h. mit einer besseren Dehnbarkeit in den fertigen Überzügen. Der Zusatz von Mengen größer als ungefähr 10 bis 15 Gew.-% bewirkt ein weiteres Ansteigen der Dehnbarkeit, aber auf Kosten des Heiß-Korrosionswiderstandes.It has also been found according to the invention that by adding even very small amounts of chromium to the total metallic pigment content of the slurry, for example 3 to 5 wt.% at the expense of the aluminum content, a thicker silicide-rich surface zone and/or a deposition zone with fewer cracks can be obtained, i.e. with better ductility in the finished coatings. The addition of amounts greater than about 10 to 15 wt.% causes a further increase in ductility, but at the expense of hot corrosion resistance.
Als sekundäre Betrachtung ist zu nennen, daß das Chrom in günstiger Weise die Aluminiumoxid/Siliziumoxid-Oberflächenoxidschicht modifiziert, die während des Betriebs auf dem Überzug erzeugt wird. Ebenso wie das Aluminium und Silizium, die bereits in bekannten durch Silizium modifizierten Aluminid-Überzügen vorhanden sind, bildet Chrom, wenn es oxidiert, eine dünne, aber nicht-poröse Oberflächenschicht, die eine Barriere gegenüber einer weiteren Oxidation bildet.As a secondary consideration, the chromium beneficially modifies the alumina/silica surface oxide layer that is formed on the coating during service. Like the aluminum and silicon already present in known silicon-modified aluminide coatings, chromium, when oxidized, a thin but non-porous surface layer that forms a barrier against further oxidation.
Chrom hat eine weitere wertvolle chemische Eigenschaft in Verbindung mit Silizium, wodurch die Oxidschicht modifiziert wird, und zwar insofern, als ein saures Oxid gebildet wird, welches einen guten Schutz gegenüber einer Hochtemperatur-Sulfidation bildet.Chromium has another valuable chemical property in combination with silicon, which modifies the oxide layer by forming an acidic oxide which provides good protection against high-temperature sulphidation.
Titan und/oder Tantal, die fakultativ in der erfindungsgemäßen Aufschlämmung auf Kosten des Aluminiumgehalts vorhanden sein können, sind heftige Silizidbildner, und in dieser Beziehung wird die Wirkung ergänzt, die durch den Einschluß von Chrom in der Aufschlämmung erzeugt wird. Unerwarteterweise hat es sich gezeigt, daß das Vorhandensein von Titan und/oder Tantal in der Aufschlämmung in Mengen von etwa 2 bis 3 Gew.-% des gesamten metallischen Pigmentgehalts keine derart ausgeprägte Wirkung auf die Erzeugung von Siliziden bei der Ablagerung und den Aluminidzonen des fertigen Überzugs bewirkt wie der Zusatz von Chrom in die Aufschlämmung. Statt dessen tendieren diese Metalle dazu, sich in der silizidreichen Oberflächenzone zu konzentrieren. Jene Oberflächenzone ist, wie sich gezeigt hat, breiter als jene bei dem SermaLoy J-Überzug, und abgesehen davon ist sie chemisch unterschiedlich.Titanium and/or tantalum, which may optionally be present in the slurry of the present invention at the expense of aluminum content, are violent silicide formers and in this respect complement the effect produced by the inclusion of chromium in the slurry. Unexpectedly, it has been found that the presence of titanium and/or tantalum in the slurry in amounts of about 2 to 3 weight percent of the total metallic pigment content does not produce as pronounced an effect on the production of silicides in the deposit and aluminide zones of the finished coating as does the addition of chromium to the slurry. Instead, these metals tend to concentrate in the silicide-rich surface zone. That surface zone was found to be wider than that of the SermaLoy J coating, and apart from that, it is chemically different.
Ti und Ta tendieren dazu, die Zusammensetzung des Chromsilizids zu modifizieren, weil beide Metalle in eine feste Lösung mit Chromsilizid übergehen, um noch mehr komplexe Silizide zu erzeugen. Sie besitzen außerdem eine Affinität für Nickel und bilden hiermit intermetallische Verbindungen, und zwar mit jenem Nickel, der in der Superlegierung oder anderen hochfesten metallischen Substraten enthalten ist. Titan fördert die Erzeugung der aus Aluminiumoxid bestehenden Schutzschicht auf der Überzugsoberfläche, indem die Freisetzung von Aluminium aus der darunterliegenden Aluminid-Oberfläche unterstützt wird. Titan ist kein sehr wirksamer Oxidüberzug allein, aber kann zur Bildung der Aluminiumoxidschicht beitragen. Andererseits bildet Tantal eine dichte stabile Oxidschicht, die ausgezeichnet schützt.Ti and Ta tend to modify the composition of the chromium silicide because both metals will solid-solution with chromium silicide to create more complex silicides. They also have an affinity for nickel, forming intermetallic compounds with the nickel present in the superalloy or other high strength metallic substrates. Titanium promotes the formation of the protective alumina layer on the coating surface by assisting in the release of aluminum from the underlying aluminide surface. Titanium is not a very effective oxide coating alone, but can contribute to the formation of the aluminum oxide layer. On the other hand, tantalum forms a dense, stable oxide layer that provides excellent protection.
Es hat sich außerdem gezeigt, daß Ti und Ta enthaltende Oberflächenzonen widerstandsfähiger gegen Rissebildung sind als die schmaleren Oberflächenzonen der SermaLoy J-Überzüge. Unerwarteterweise tritt dies jedoch nur merklich in Erscheinung, wenn. Ta und Ti beide vorhanden sind, und zwar insofern, als das Vorhandensein von 2 Gew.-% Ta ohne Ti die Tendenz der Rissebildung in den Überzügen etwas erhöht.It has also been shown that surface zones containing Ti and Ta are more resistant to cracking than the narrower surface zones of the SermaLoy J coatings. Unexpectedly, however, this is only appreciably evident when both Ta and Ti are present, in that the presence of 2 wt.% Ta without Ti slightly increases the tendency for cracking in the coatings.
Titan und Tantal können einzeln oder in Kombination durch andere chemisch äquivalente Übergangselemente der Gruppe 4b und 5b des Periodischen Systems ersetzt werden, einschließlich Rhenium, Zirkon und Hafnium und Mangan der Gruppe 2a als Teil des gesamten metallischen Pulvergehalts der Aufschlämmung.Titanium and tantalum may be replaced individually or in combination by other chemically equivalent transition elements of Group 4b and 5b of the Periodic Table, including rhenium, zirconium and hafnium and manganese of Group 2a as part of the total metallic powder content of the slurry.
Die fakultativ kleinen Mengen von Bor, die in der Aufschlämmung vorhanden sind, können auf Kosten des Aluminiumgehalts in Mengen bis zu 2,5 Gew.-% zugesetzt werden, und zwar vorzugsweise im Bereich zwischen 0,5 und 2 Gew.-%, und am günstigsten im Bereich zwischen 0,5 und etwa 1 Gew.-% des gesamten Metallpulvergehalts. Bor in kleinen Mengen vermindert die Sprödigkeit in der intermetallischen Gamma- Nickel-Verbindung Ni3Al, die im fertigen Überzug vorhanden ist.The optional small amounts of boron present in the slurry may be added at the expense of the aluminum content in amounts up to 2.5 wt.%, preferably in the range between 0.5 and 2 wt.%, and most preferably in the range between 0.5 and about 1 wt.% of the total metal powder content. Boron in small amounts reduces the brittleness in the gamma nickel intermetallic compound Ni3Al present in the finished coating.
Das erfindungsgemäße Ausführungsbeispiel, das eine Überzugszusammensetzung benutzt, die ein Pulver aus einer Mischung von Metallen in elementarer Form aufweist, wird weiter in den Beispielen und in den Figuren erläutert.The embodiment of the invention, which uses a coating composition comprising a powder of a mixture of metals in elemental form, is further explained in the examples and in the figures.
Ein zweites wichtiges Ausführungsbeispiel der Erfindung benutzt nicht Aluminium und Silizium in elementarer Form, sondern eine eutektische Aluminium-Silizium-Legierung, wie dies weiter unten beschrieben wird. Dieses Ausführungs beispiel der Erfindung benutzt einen Aufschlämmungsüberzug zur Erzeugung eines Aluminid-Silizid-Überzugs, und die Aufschlämmung besteht aus einem Metallpulver in einer Binderflüssigkeit, und die metallische Pulverkomponente der Aufschlämmung besteht aus wenigstens einer Aluminium-Silizium-Legierung in eutektischer Zusammensetzung.A second important embodiment of the invention does not use aluminum and silicon in elemental form, but a eutectic aluminum-silicon alloy, as described below. This embodiment example of the invention uses a slurry coating to produce an aluminide-silicide coating, and the slurry consists of a metal powder in a binder liquid, and the metallic powder component of the slurry consists of at least one aluminum-silicon alloy in eutectic composition.
Die eutektische Zusammensetzung der Aluminium-Silizium- Legierung in stöchiometrischen Mengen liegt bei 11,8 Gew.-% Si, wobei der Rest 88,2 Gew.-% Aluminium ist. Gemäß der Erfindung können jedoch die jeweiligen Mengen der beiden Metalle von dem spezifischen Wert, d. h. von dem stöchiometrischen Wert abweichen, und zwar bis über etwa 7 bis 14 Gew.-%, ohne daß in schädlicher Weise die metallische Pulveraufschlämmung beeinträchtigt würde. Tatsächlich können die jeweiligen Mengen der beiden Metalle sogar noch um höhere Prozentsätze abweichen. Innerhalb logischer und praktischer Grenzen zeigt sich, daß die eutektische Legierung - oder eine nahezu eutektische Legierung - im wesentlichen oder vollständig durch Al und Si in elementarer Form ersetzt werden kann. In einer solchen Situation zeigt sich, daß das Ausführungsbeispiel der Erfindung, das hier als 'eutektisches Ausführungsbeispiel' beschrieben wird, graduell und schließlich vollständig zu der Aufschlämmung eines Ausführungsbeispiels einer 'elementaren Form der Metalle' führt. Bei einer solchen Situation zeigt sich, daß bis zu einer Menge, wo Al und Si nicht im stöchiometrischen Verhältnis vorhanden sind, die Menge der Metalle und andere Metalle in der Aufschlämmung gemeinsam eingestellt werden können. Es ist ferner festzustellen, daß eine bedeutende Erniedrigung des Schmelzpunktes und ein damit verknüpfter wirtschaftlicher Energievorteil - wie es die Beschreibung der Erfindung lehrt - als Folge der Benutzung der eutektischen Legierung auftritt und kleiner wird und in geringerem Maße vorhanden ist, wenn man davon abweicht. Daher ist es klar, daß der Fachmann eine eutektische Legierung nicht ausschließlich benutzen wird, und ein solches Merkmal liegt innerhalb der Lehren der Erfindung. Die Erfindung kann nicht dadurch umgangen werden, daß eine eutektische Legierung teilweise in einem der beiden Ausführungsbeispiele der Erfindung benutzt wird.The eutectic composition of the aluminum-silicon alloy in stoichiometric amounts is 11.8 wt.% Si, the balance being 88.2 wt.% aluminum. However, according to the invention, the respective amounts of the two metals can deviate from the specific value, i.e. the stoichiometric value, to over about 7 to 14 wt.% without detrimentally affecting the metallic powder slurry. In fact, the respective amounts of the two metals can deviate by even higher percentages. Within logical and practical limits, it will be seen that the eutectic alloy - or a nearly eutectic alloy - can be substantially or completely replaced by Al and Si in elemental form. In such a situation, it will be seen that the embodiment of the invention described here as the 'eutectic embodiment' leads gradually and ultimately completely to the slurry of an embodiment of an 'elemental form of the metals'. In such a situation, it is found that up to an amount where Al and Si are not present in stoichiometric ratio, the amount of the metals and other metals in the slurry can be adjusted together. It is also found that a significant depression of the melting point and associated economic energy advantage - as taught in the description of the invention - occurs as a result of the use of the eutectic alloy and becomes smaller and less present when deviating from it. Therefore, it is clear that the skilled person will not use a eutectic alloy exclusively and such a feature is within the teachings of the invention. The invention can cannot be circumvented by using a eutectic alloy partially in one of the two embodiments of the invention.
Es hat sich gemäß der Erfindung gezeigt, daß die Benutzung einer eutektischen Al-Si-Legierung in der Aufschlämmzusammensetzung zu einer tieferen, mehr ausgeprägten Ablagerungszone führt, mit dem Vorteil einer verminderten Tendenz zur Rissebildung und einem verbesserten Widerstand gegenüber einer Heiß-Korrosion.It has been found according to the invention that the use of a eutectic Al-Si alloy in the slurry composition results in a deeper, more pronounced deposition zone, with the advantage of a reduced tendency to crack and improved resistance to hot corrosion.
Es hat sich unerwarteterweise weiter gezeigt, daß das eutektische Si-Al-Legierungspulver benutzt werden kann, um teilweise oder vollständig die elementaren Si- und Al- Pulver zu ersetzen, die normalerweise bei der SermaLoy J- Legierung oder bei der erfindungsgemäßen Zusammensetzung benutzt werden, die oben beschrieben wurde und bei der elementare Si-Pulver und Al-Pulver Anwendung fanden.It has been further unexpectedly found that the eutectic Si-Al alloy powder can be used to partially or completely replace the elemental Si and Al powders normally used in the SermaLoy J alloy or in the inventive composition described above which used elemental Si powders and Al powders.
In Verbindung mit der Entwicklung der vorliegenden Erfindung, die sich auf die Benutzung eines eutektischen Legierungspulvers bezieht, wurde eine Erklärung für die verbesserten Überzüge ermittelt, die die Erfinder jedoch nicht aufrechterhalten wollen. Während der Diffusion im Wärmebehandlungsschritt bei der Erzeugung des Überzugs glaubt man, daß Al und Si, wenn diese als elementare Bestandteile benutzt werden, die Tendenz zeigen, aufeinanderzu zu wandern und erst eine eutektische Legierungszusammensetzung bilden, bevor sie aufgespalten werden, um die Aluminidphasen und die Silizidphasen in dem Überzug zu erzeugen. Durch Benutzung eines eutektischen Legierungspulvers in der Aufschlämmung wurde keine chemische Kombinationsenergie zur Erzeugung der eutektischen Legierung im Überzug verbraucht. Statt dessen wird das Si dichter an seiner ursprünglichen Lage im Überzug gehalten und kann sich schneller mit Silizidbildnern kombinieren, wodurch die Tiefe der Ablagerungszone des Überzugs auf Kosten der siliziumreichen Oberflächenzone vergrößert wird.In connection with the development of the present invention, which relates to the use of a eutectic alloy powder, an explanation for the improved coatings was discovered, but the inventors do not wish to maintain this. During diffusion in the heat treatment step of forming the coating, it is believed that Al and Si, when used as elemental constituents, tend to migrate toward each other and first form a eutectic alloy composition before being broken down to produce the aluminide and silicide phases in the coating. By using a eutectic alloy powder in the slurry, no chemical combination energy was consumed to produce the eutectic alloy in the coating. Instead, the Si is held closer to its original location in the coating and can combine more quickly with silicide formers, thereby increasing the depth of the coating deposition zone at the expense of the silicon-rich surface zone.
Gemäß der Erfindung kann sich die Menge der eutektischen Al-Si-Legierung in der Aufschlämmung von etwa 36 Gew.-% auf 100 Gew.-% des gesamten Metallgehalts ändern, je nach dem fakultativen Vorhandensein zusätzlicher metallischer Elementarpulver. Diese können in den folgenden Gewichtsprozentbereichen vorliegen:According to the invention, the amount of eutectic Al-Si alloy in the slurry can vary from about 36 wt.% to 100 wt.% of the total metal content, depending on the optional presence of additional metallic elemental powders. These can be present in the following weight percentage ranges:
Si - 0 bis etwa 21%, vorzugsweise 5 bis etwa 18%,Si - 0 to about 21%, preferably 5 to about 18%,
Cr - 0 bis 20%, vorzugsweise 3 bis etwa 10%,Cr - 0 to 20%, preferably 3 to about 10%,
Ta - 0 bis etwa 10%, vorzugsweise nicht mehr als etwa 5%,Ta - 0 to about 10%, preferably not more than about 5%,
Ti - 0 bis etwa 10%, vorzugsweise nicht mehr als etwa 5%,Ti - 0 to about 10%, preferably not more than about 5%,
B - 0 bis etwa 2,5%, vorzugsweise nicht mehr als etwa 2%, und am bevorzugtesten nicht mehr als etwa 1%.B - 0 to about 2.5%, preferably not more than about 2%, and most preferably not more than about 1%.
Wenigstens ein Teil der Ta- und/oder Ti-Bestandteile kann (wenn vorhanden) durch ebensolche Mengen chemisch ähnlicher Übergangselemente ersetzt werden, wie dies oben beschrieben wurde.At least a portion of the Ta and/or Ti components may be (if present) replaced by equal amounts of chemically similar transition elements as described above.
Bei diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung kann Chrom auf Kosten des Aluminiumgehalts aus den gleichen Gründen wie oben beschrieben für Überzugszusammensetzungen zugesetzt werden, die Mischungen elementarer Al- und Si-Pulver enthalten. Es hat sich jedoch gezeigt, daß dann, wenn Chrom in der Aufschlämmung vorhanden ist, die eutektisches Al-Si- Legierungspulver enthält, die resultierende Struktur des fertigen Überzugs eine vorteilhafte Kombination von Merkmalen enthält, insbesondere eine erhöhte Tiefe der Oberflächenzone und/oder eine erhöhte Tiefe der Ablagerungszone plus erhöhter Dispersion der Silizidphasen, d. h. der Silizide über der Aluminid-Zone.In this embodiment of the invention, chromium can be added at the expense of aluminum content for the same reasons as described above for coating compositions containing mixtures of elemental Al and Si powders. However, it has been found that when chromium is present in the slurry containing eutectic Al-Si alloy powder, the resulting structure of the finished coating contains an advantageous combination of features, in particular an increased depth of the surface zone and/or an increased depth of the deposition zone plus increased dispersion of the silicide phases, i.e. the silicides over the aluminide zone.
Es hat sich weiter gezeigt, daß dann, wenn 2 bis 3 Gew.-% jeweils von Tantal und/oder Titan in den Aufschlämmungen auf Kosten des Aluminiumgehalts eingebracht werden, die Ta- und Ti-Bestandteile gleichmäßiger in dem fertigen Überzug verteilt sind als es der Fall ist, wenn sie in Aufschlämmungen benutzt werden, die nur elementare Pulver enthalten, wo sie dazu tendieren, mehr in der Nähe der Oberfläche konzentriert zu bleiben.It has further been shown that when 2 to 3 wt.% each of tantalum and/or titanium is present in the slurries at the expense of aluminum content, the Ta and Ti components are more evenly distributed in the finished coating than is the case when used in slurries containing only elemental powders, where they tend to remain more concentrated near the surface.
Demgemäß haben gemäß der Erfindung die fakultativ zugesetzten Metalle, die in Verbindung mit der eutektischen Al-Si-Legierung benutzt werden, zusätzliche Vorteile, zu denen sie nicht so markant beizutragen scheinen, wenn die Aufschlämmung nur elementare Metallpulver enthält.Accordingly, according to the invention, the optionally added metals used in conjunction with the eutectic Al-Si alloy have additional advantages to which they do not appear to contribute as markedly when the slurry contains only elemental metal powders.
Die Überzugszusammensetzung, die eine eutektische Al-Si- Legierung enthält, wird im folgenden beschrieben.The coating composition containing an Al-Si eutectic alloy is described below.
Zusätzlich zu den Merkmalen, mit denen sich die erfindungsgemäßen Überzüge gegenüber den bekannten Überzügen unterscheiden, wie sie beschrieben wurden, zeigen gewisse Überzüge nach der Erfindung auch eines oder mehrere der folgenden zusätzlichen Merkmale.In addition to the features that distinguish the coatings of the invention from known coatings as described, certain coatings of the invention also exhibit one or more of the following additional features.
Eine mit Silizid angereicherte Oberflächenschicht von wenigstens 2 um Dicke. Eine Ablagerungsschicht, die für optimale Ergebnisse eine minimale Dicke von 12 um besitzt. Eine Ablagerungsschicht, die wenigstens viermal so dick ist wie die Oberflächenschicht und vorzugsweise zehnmal so dick wie die Oberflächenschicht ist.A silicide-enriched surface layer of at least 2 µm thickness. A deposition layer having a minimum thickness of 12 µm for optimal results. A deposition layer at least four times as thick as the surface layer and preferably ten times as thick as the surface layer.
Eine Oberflächenschicht, die einen maximalen Siliziumgehalt von weniger als etwa 25 Gew.-% besitzt. Eine Ablagerungsschicht und eine Aluminid-Schicht von mehr als etwa 15, aber nicht mehr als 30 Gew.-% Si.A surface layer having a maximum silicon content of less than about 25 wt.%. A deposition layer and an aluminide layer of more than about 15, but not more than 30 wt.% Si.
Ein Überzug, bei dem der Aluminiumgehalt sich um nicht mehr als etwa 12, vorzugsweise nicht mehr als etwa 8 Gew.-% über den Überzug ändert.A coating in which the aluminum content does not vary by more than about 12, preferably not more than about 8, weight percent across the coating.
Eine Ablagerungsschicht, in der der Aluminiumgehalt etwa 30 Gew.-% nicht überschreitet und der Aluminiumgehalt und der Siliziumgehalt in der Tiefe etwa invers zueinander sich ändern.A deposit layer in which the aluminum content does not exceed about 30 wt.% and the aluminum content and the silicon content vary approximately inversely with depth.
Eine Oberflächenschicht, die wenigstens Ta oder Ti in Mengen enthält, die größer sind als der Gewichtsprozentsatz des Substratmaterials.A surface layer containing at least Ta or Ti in amounts greater than the weight percentage of the substrate material.
Ein Überzug, der auch Chrom enthält und eine dickere Oberflächenschicht und eine erhöhte Dispersion der Silizid- Schichten über den Überzug aufweist.A coating that also contains chromium and has a thicker surface layer and increased dispersion of silicide layers throughout the coating.
Ein Überzug, bei dem die Schicht (oder Zone), die hier als 'Oberflächenzone' bezeichnet werden soll, fehlt.A coating in which the layer (or zone) referred to here as the 'surface zone' is absent.
Diese Merkmale der vorliegenden Erfindung können in dem Überzug individuell oder in irgendeiner Kombination dieser individuellen Merkmale vorhanden sein.These features of the present invention may be present in the coating individually or in any combination of these individual features.
Der für die metallischen Komponenten der Aufschlämmung gemäß der Erfindung benutzte Binder ist eine Flüssigkeit, vorzugsweise eine wäßrige Flüssigkeit, die durch Hitze verdampfbar und durch Hitze aushärtbar ist und vorzugsweise auf dem Überzug einen anorganischen Rest beläßt, der zweckmäßigerweise entfernt wird.The binder used for the metallic components of the slurry according to the invention is a liquid, preferably an aqueous liquid, which is vaporizable by heat and curable by heat and preferably leaves an inorganic residue on the coating which is conveniently removed.
Derartige Binder sind bekannt. Sie können aus einer sauren, einer neutralen oder einer basischen Flüssigkeit bestehen. Sie können organisch oder anorganisch sein, beispielsweise wäßrig. Die Binderkomponenten der Aufschlämmungen, die elementare und/oder eutektische Legierungspulver von Si und Al enthalten, können organisch sein (beispielsweise Nitrozellulose oder äquivalente Polymere), oder sie können aus einer Lösung der Klasse von anorganischen Chromat-, Phosphat-, Molybdat- oder Wolframatlösungen bestehen, wie dies in der US-A-4 537 632 (insbesondere Spalten 9 und 10) und in den US-A-4 606 967 und 4 863 516 (Sermatech Internatio nal, Inc.) beschrieben ist. Diese Druckschriften werden hiermit als Verweis eingeführt. Der Binder kann auch aus der Klasse wasserlöslicher basischer Silikate ausgewählt werden, die zu einem dicht anhaftenden gläsernen Festkörper unter Verlust chemisch gebundenen Wassers aushärten, wie dies ebenfalls in den Druckschriften beschrieben ist.Such binders are known. They may consist of an acidic, a neutral or a basic liquid. They may be organic or inorganic, for example aqueous. The binder components of the slurries containing elemental and/or eutectic alloy powders of Si and Al may be organic (for example nitrocellulose or equivalent polymers) or they may consist of a solution from the class of inorganic chromate, phosphate, molybdate or tungstate solutions, as described in US-A-4 537 632 (particularly columns 9 and 10) and in US-A-4 606 967 and 4 863 516 (Sermatech International nal, Inc.), which publications are hereby incorporated by reference. The binder may also be selected from the class of water-soluble basic silicates which cure to form a tightly adherent glassy solid with loss of chemically bound water, as also described in the publications.
Während der Erhitzung auf die Diffusionstemperatur wird der Überzug einer Aushärtungsphase unterworfen. Während der Diffusion werden die metallischen Komponenten des Binders aus dem Überzug ausgetrieben. Verbleibende Reste können durch Bürsten oder ähnliche Behandlung entfernt werden.During heating to the diffusion temperature, the coating is subjected to a hardening phase. During diffusion, the metallic components of the binder are expelled from the coating. Remaining residues can be removed by brushing or similar treatment.
Ein Aspekt der Erfindung, der eng verknüpft ist mit den Veränderungen der Zusammensetzung, wie oben erwähnt, bezieht sich auf Dauer und Temperatur der Diffusionswärmebehandlung, der ein überzogener Gegenstand ausgesetzt wird.One aspect of the invention that is closely related to the compositional changes mentioned above relates to the duration and temperature of the diffusion heat treatment to which a coated article is subjected.
Der Diffusionswärmebehandlungsplan für einen mit einer SermaLoy J-Legierung überzogenen Gegenstand wird so gewählt, daß die Wirkung der Diffusionswärmebehandlung auf die mechanischen Eigenschaften des Substrats vermindert wird. Der Plan wird weiter so gewählt, daß die Wirkung der hohen Temperaturen auf die Mikrostruktur des Überzugs vermindert wird, denen der Gegenstand, beispielsweise die Turbinenschaufeln eines Triebwerks, im Betrieb ausgesetzt ist.The diffusion heat treatment schedule for an article coated with a SermaLoy J alloy is selected to reduce the effect of the diffusion heat treatment on the mechanical properties of the substrate. The schedule is further selected to reduce the effect on the microstructure of the coating of the high temperatures to which the article, such as the turbine blades of an engine, is exposed during operation.
Beispielsweise wird eine IN-738-Legierung, d. h. eine auf Nickel basierendes Superlegierung, die mit einem SermaLoy J- Aufschlämmaterial überzogen und ausgehärtet wurde, normalerweise einer Diffusionswärmebehandlung bei 870 bis 885ºC zwei Stunden lang ausgesetzt. Eine X-40-Legierung, d. h. eine auf Kobalt basierende Superlegierung, die in der gleichen Weise überzogen wurde, wird normalerweise einer Diffusionswärmebehandlung bei etwa 870ºC eine halbe Stunde lang ausgesetzt, bevor eine weitere Erhitzung auf etwa 1000ºC erfolgt und diese hohe Temperatur zwei Stunden lang aufrechterhalten wird.For example, an IN-738 alloy, i.e. a nickel-based superalloy, coated with a SermaLoy J slurry and aged, is normally subjected to a diffusion heat treatment at 870 to 885ºC for two hours. An X-40 alloy, i.e. a cobalt-based superalloy, coated in the same manner, is normally subjected to a diffusion heat treatment at about 870ºC for half an hour before being further heated to about 1000ºC and maintained at that high temperature for two hours.
Qualitativ wurden die folgenden Wirkungen festgestellt, die sich aus Veränderungen von Temperatur und Zeit ergaben.Qualitatively, the following effects were observed, resulting from changes in temperature and time.
Eine Verlängerung der Zeitdauer der Diffusionswärmebehandlung bei den festgelegten Diffusionstemperaturen bewirkt, daß der Überzug dehnbarer wird und demgemäß weniger anfällig für eine Rissebildung ist.An extension of the duration of the diffusion heat treatment at the specified diffusion temperatures causes the coating to become more ductile and therefore less susceptible to cracking.
Ein beträchtliches Absinken der Temperatur der Diffusionswärmebehandlung kann unerwünscht sein, weil dann die Gefahr besteht, daß eine Überzugsmikrostruktur erzeugt wird, die anfällig ist für Änderungen während des folgenden Betriebs in einem Gasturbinentriebwerk bei hohen Temperaturen, und weil die Gefahr besteht, daß eine unzulängliche Diffusion der Überzugselemente in das Basismaterial eintritt.A significant decrease in the diffusion heat treatment temperature may be undesirable because of the risk of producing a coating microstructure that is susceptible to changes during subsequent operation in a gas turbine engine at high temperatures and the risk of inadequate diffusion of the coating elements into the base material.
Allgemein bewirkt eine Erhöhung der Temperatur der Diffusionswärmebehandlung bei einer festgelegten Behandlungsdauer die Erzeugung einer gleichförmigeren Verteilung von Silizium im Überzug, und diese Behandlung führt zu einer größeren Dehnbarkeit, dies jedoch auf Kosten des Widerstands gegen Heiß-Korrosion. Ein verminderter Widerstand gegenüber Heiß-Korrosion resultiert von dem übermäßigen Eindringen von Aluminium in die Basis-Superlegierung her, und infolgedessen wird der Aluminiumgehalt des Überzugs vermindert.In general, increasing the diffusion heat treatment temperature for a given treatment time produces a more uniform distribution of silicon in the coating and this treatment results in greater ductility, but at the expense of hot corrosion resistance. Reduced hot corrosion resistance results from excessive penetration of aluminum into the base superalloy and, as a result, the aluminum content of the coating is reduced.
Gemäß der Erfindung wurde jedoch festgestellt, daß bei Durchführung einer Diffusion in einem Temperaturbereich über etwa 1000ºC, aber vorzugsweise bei nicht mehr als etwa 1120ºC, das Ergebnis ein dickerer, dehnbarerer Überzug ist mit einer weniger ungleichförmigen Verteilung von Aluminiden und Siliziden über den Überzug, und es werden infolgedessen verbesserte mechanische Eigenschaften erlangt, allerdings mit einem etwas verminderten Widerstand gegenüber Heiß-Korrosion, was jedoch annehmbar ist, wenn der überzogene Teil weniger beansprucht wird. Wenn eine solche hohe Diffusionstemperatur mit dem Zusatz von Chrom zu der Aufschlämmungsmischung kombiniert wird, dann ergibt sich eine zweckmäßige Kombination von Effekten, und es wird eine noch bessere Dehnbarkeit und Dispersion von Siliziden über den Überzug erreicht.However, in accordance with the invention it has been found that if diffusion is carried out in a temperature range above about 1000°C, but preferably not more than about 1120°C, the result is a thicker, more ductile coating with a less non-uniform distribution of aluminides and silicides throughout the coating and consequently improved mechanical properties are obtained, albeit with a somewhat reduced resistance to hot corrosion, which is however acceptable if the coated part is subjected to less stress. If a When such high diffusion temperature is combined with the addition of chromium to the slurry mixture, a useful combination of effects results and even better ductility and dispersion of silicides throughout the coating is achieved.
Wenn die Eigenschaften des Substratmaterials ungünstig durch eine derartige Hochtemperaturdiffusion beeinflußt würden, kann die Benutzung unzweckmäßig sein, wenn es nicht möglich ist, die Eigenschaften des Substratmaterials durch eine weitere Wärmebehandlung wiederherzustellen. Wenn die Eigenschaften des überzogenen Teils in einem unannehmbaren Maß beeinträchtigt werden, ist es zweckmäßig, eine weitere Wärmebehandlung, beispielsweise durch eine Ausfällwärmebehandlung, vorzunehmen. Beispielsweise können bei einer auf Nickel basierenden Superlegierung IN-738, die mit einer Aufschlämmungsmischung überzogen und einer Diffusionswärmebehandlung bei 1200ºC unterworfen wurde, die Eigenschaften wiederhergestellt werden, indem eine Wärmebehandlung bei 840ºC 24 Stunden lang durchgeführt wird.If the properties of the substrate material would be adversely affected by such high temperature diffusion, use may be inappropriate if it is not possible to restore the properties of the substrate material by further heat treatment. If the properties of the coated part are impaired to an unacceptable extent, it is appropriate to apply further heat treatment, such as precipitation heat treatment. For example, for a nickel-based superalloy IN-738 coated with a slurry mixture and subjected to diffusion heat treatment at 1200°C, the properties can be restored by heat treating at 840°C for 24 hours.
Es ist wichtig, festzustellen, daß eine Erhöhung der Diffusionstemperatur sehr viel über 1120ºC wahrscheinlich zu einem noch mehr ausgeprägten Absinken des Widerstands gegen Heiß-Korrosion führen würde, was von dem erhöhten Eindringen von Aluminium in das Basis-Superlegierungsmaterial herrührt, woraus sich eine unannehmbare Verringerung des Aluminiumgehalts im Überzug ergibt.It is important to note that increasing the diffusion temperature much above 1120ºC would likely result in an even more pronounced decrease in hot corrosion resistance due to increased penetration of aluminum into the base superalloy material, resulting in an unacceptable reduction in the aluminum content in the coating.
Das oben beschriebene Ausführungsbeispiel kann mit der Erfindung kombiniert werden, die in unserer laufenden Internationalen Patentanmeldung PCT/US93/04507 beschrieben ist.The embodiment described above can be combined with the invention described in our pending International Patent Application PCT/US93/04507.
Die nachstehenden Ausführungsbeispiele sollen die Erfindung in keiner Weise beschränken.The following embodiments are not intended to limit the invention in any way.
Es wurden Proben verschiedener Kombinationen von Verfahren und Abwandlungen der chemischen Zusammensetzung gegenüber der SermaLoy J-Legierung ausgewertet. Eine Auswahl derartiger Veränderungen ist in Tabelle 1 dargestellt. Die benutzten Variablen und die Ziele der Abwandlungen sind in der auf die Tabelle folgenden Beschreibung zusammengefaßt. TABELLE 1 Samples of various combinations of processes and chemical composition variations were evaluated against SermaLoy J alloy. A selection of such variations is shown in Table 1. The variables used and the objectives of the variations are summarized in the description following the table. TABLE 1
* Eutektische Legierungszusammensetzung = 88,3 Gew.-% Al, 11,7 Gew, Beispiel 1 Die Aluminium- und Siliziumpulver, die in den Aufschlämmungen benutzt wurden: In einigen Aufschlämmungen wurde anstelle von Al-Pulver und Si-Pulver in elementarer Form, wie dies bei der SermaLoy J-Legierung üblich ist, ein Al/Si-Legierungspulver eutektischer Zusammensetzung benutzt. Dadurch wurde die Neigung von Al und Si vermindert, durch den Überzug unabhängig voneinander zu diffundieren, wodurch die Si-Konzentration in der Oberflächenzone vermindert würde.* Eutectic alloy composition = 88.3 wt.% Al, 11.7 wt.% Example 1 The aluminum and silicon powders used in the slurries: In some slurries, an Al/Si alloy powder of eutectic composition was used instead of Al powder and Si powder in elemental form as is common in the SermaLoy J alloy. This reduced the tendency of Al and Si to diffuse independently through the coating, thereby reducing the Si concentration in the surface zone.
Beispiel 2 Zusatz gewisser metallischer Elemente zu der Aufschlämmung, welche starke Silizidbildner sind: Dies waren (in Gewichtsprozent relativ zu dem metallischen Gesamtpigmentgehalt des Überzugs) Cr 5% oder 10%, Ti 2,5%, Ta 2,5%. Dies steuerte die Bewegung des Siliziums während der Diffusionswärmebehandlung, und es führte zu einer guten Silizidbildung über den Überzug.Example 2 Addition of certain metallic elements to the slurry which are strong silicide formers: These were (in weight percent relative to the total metallic pigment content of the coating) Cr 5% or 10%, Ti 2.5%, Ta 2.5%. This controlled the movement of the silicon during the diffusion heat treatment and resulted in good silicide formation throughout the coating.
Beispiel 3 Veränderung des Anteils von Al in der Aufschlämmung: Es wurde der Al-Gehalt relativ zum gesamten metallischen Pigmentgehalt des Überzugs im Bereich zwischen 65 und 95 Gew.-% verändert.Example 3 Variation of the proportion of Al in the slurry: The Al content relative to the total metallic pigment content of the coating was varied in the range between 65 and 95 wt.%.
In jenem Teil des Bereichs unter dem normalen SermaLoy J- Gehalt von Aluminium von 85 Gew.-% ermöglichte eine relative Verminderung des Al-Gehalts die Einführung weiterer metallischer Elemente, wie dies oben unter (ii) beschrieben wurde, d. h. diese metallischen Elemente wurden auf Kosten des Al-Gewichtsprozent-Gehalts eingeführt.In that part of the range below the normal SermaLoy J aluminium content of 85 wt.%, a relative reduction in the Al content allowed the introduction of further metallic elements as described above under (ii), i.e. these metallic elements were introduced at the expense of the Al weight percent content.
In dem Teil des Bereichs über 85 Gew.-% erzeugte dies einen Überschuß von Al in der Aufschlämmung während der Diffusionswärmebehandlung, wodurch die äußere normalerweise siliziumreiche Oberflächenzone verdünnt wurde.In the part of the region above 85 wt.%, this produced an excess of Al in the slurry during the diffusion heat treatment, thereby diluting the outer normally silicon-rich surface zone.
Beispiel 4 Änderung der Menge von Si in der Aufschlämmung: Der Si-Gehalt relativ zum gesamten metallischen Pig mentgehalt des Überzugs wurde im Bereich zwischen 5 und 25 Gew.-% geändert.Example 4 Change in the amount of Si in the slurry: The Si content relative to the total metallic pig The element content of the coating was varied in the range between 5 and 25 wt.%.
In dem Teil des Bereichs unter dem normalen SermaLoy J- Siliziumgehalt von 15 Gew.-% erlaubte eine relative Verminderung des Siliziumgehalts den Zusatz von weiterem Al.In the part of the range below the normal SermaLoy J silicon content of 15 wt.%, a relative reduction in silicon content allowed the addition of more Al.
In jenem Teil des Bereichs über 15 Gew.-% erzeugte dies eine dickere mit Silizium angereicherte Oberflächenzone, die besser geeignet war, der Einleitung von Rissen zu widerstehen, und es wurde die Diffusion von Si durch den Überzug verbessert. Auf diese Weise wurde die Ablagerungszone vertieft und die thermische Expansions-Mißanpassung zwischen der Silizid-Oberflächenzone und den Aluminiden und der Oxidhaut vermindert.In that part of the range above 15 wt.%, this produced a thicker silicon-enriched surface zone that was better able to resist crack initiation and enhanced the diffusion of Si through the coating. In this way, the deposition zone was deepened and the thermal expansion mismatch between the silicide surface zone and the aluminides and oxide skin was reduced.
Beispiel 5 Zusatz von 1 Gew.-% Bor in die Aufschlämmung. Hierdurch wurden die Aluminidphasen besser dehnbar.Example 5 Addition of 1 wt.% boron to the slurry. This made the aluminide phases more ductile.
Beispiel 6 Änderungen der Temperatur bei der Diffusionswärmebehandlung: Die unterschiedlichen, bei der Prüfung benutzten Temperaturen waren die folgenden: 760ºC, 870ºC, 885ºC und 1120ºC. Eine Verminderung der Temperatur unter die normale SermaLoy J-Diffusionstemperatur von 870ºC bis 885ºC reduzierte die Diffusionsrate von Al, wodurch die Al-Konzentration in der Oberflächenzone des Überzugs erhöht wurde. Durch Anheben der Diffusionstemperatur über die für die SermaLoy J-Legierung normale Temperatur erhöhte die Diffusionsrate der schwereren Substratmaterialelemente, ohne wesentlich die Al-Diffusionsrate zu vergrößern, und dadurch wurde sowohl die Al-Konzentration als auch die Si-Konzentration in der Oberflächenzone abgesenkt.Example 6 Variations in temperature during diffusion heat treatment: The different temperatures used in the test were as follows: 760ºC, 870ºC, 885ºC and 1120ºC. Reducing the temperature below the normal SermaLoy J diffusion temperature of 870ºC to 885ºC reduced the diffusion rate of Al, thereby increasing the Al concentration in the surface zone of the coating. Raising the diffusion temperature above the normal temperature for the SermaLoy J alloy increased the diffusion rate of the heavier substrate material elements without significantly increasing the Al diffusion rate, thereby lowering both the Al concentration and the Si concentration in the surface zone.
Beispiel 7 Änderungen der Diffusionswärmebehandlungszeit: Es wurden unterschiedliche Zeiten untersucht: 2, 3,5, 4, 5, 6,5 und 8 Stunden. Eine Erhöhung der Diffusionszeit über die üblicherweise für die SermaLoy J-Legierung an gewandte Diffusionszeit von 2 Stunden verursachte eine vollständige Diffusion des Überzugs.Example 7 Variations in diffusion heat treatment time: Different times were investigated: 2, 3.5, 4, 5, 6.5 and 8 hours. An increase in diffusion time beyond the time normally used for the SermaLoy J alloy at The applied diffusion time of 2 hours caused complete diffusion of the coating.
Bei den Studien in Verbindung mit der Erfindung wurden Veränderungen der Überzugszusammensetzung und der Behandlung untersucht, und einige Versuche hiervon sind in Tabelle 1 dargestellt. Proben aus einer auf Nickel basierenden Superlegierung, die aus Scheiben der Superlegierung IN-738 hergestellt waren, wurden entweder mit einem Standard-SermaLoy J-Aluminid-Silizid-Überzug versehen, oder mit einem Überzug mit einer modifizierten Zusammensetzung und/oder modifizierten Behandlung. Diese Scheiben hatten einen Durchmesser von 12 mm und waren 5 mm dick.In the studies related to the invention, variations in coating composition and treatment were investigated, and some of the experiments are shown in Table 1. Nickel-based superalloy samples made from IN-738 superalloy disks were coated with either a standard SermaLoy J aluminide silicide coating or with a coating having a modified composition and/or treatment. These disks were 12 mm in diameter and 5 mm thick.
Die ungefähre Zusammensetzung der IN-738-Legierung in Gewichtsprozenten ist wie folgt:The approximate composition of IN-738 alloy in weight percent is as follows:
60 Ni, 16 Cr, 8,5 Co, 3,45 Ti, 3,45 Al, 2,6 W, 1,7 Mo, 1,7 Ta, 0,8 Nb, 0,5 Fe, 0,5 Si, 0,2 Mn, 0,17 C, 0,1 Zr, 0,01 B.60 Ni, 16 Cr, 8.5 Co, 3.45 Ti, 3.45 Al, 2.6 W, 1.7 Mo, 1.7 Ta, 0.8 Nb, 0.5 Fe, 0.5 Si , 0.2 Mn, 0.17 C, 0.1 Zr, 0.01 B.
Als Beispiele zur Herstellung der Aufschlämmungen, die bei den Untersuchungen benutzt wurden, untersuchte man zwei Aufschlämmungen unterschiedlicher Zusammensetzung, wie dies weiter unten beschrieben wird.As examples for the preparation of the slurries used in the studies, two slurries of different composition were investigated, as described below.
95,0 ml Wasser95.0 ml water
31,5 g Phosphorsäure31.5 g phosphoric acid
9,0 g Chromsäure9.0 g chromic acid
7,3 g Magnesiumoxid7.3 g magnesium oxide
82,0 g Aluminiumpulver (unter 5 um Durchmesser)82.0 g aluminium powder (less than 5 µm diameter)
14,5 g Siliziumpulver (-325 mesh)14.5 g silicon powder (-325 mesh)
100,0 ml Aufschlämmung A100.0 ml slurry A
7,0 g Chrompulver (unter 5 um Durchmesser)7.0 g chromium powder (less than 5 µm diameter)
Es wurden noch weitere Aufschlämmungen bereitet, die ein eutektisches Aluminium-Silizium-Legierungspulver mit und ohne andere metallische Elemente enthielten, wie dies weiter unten beschrieben ist.Additional slurries were prepared containing a eutectic aluminum-silicon alloy powder with and without other metallic elements, as described below.
Die Aufschlämmung A entspricht der Aufschlämmung gemäß Probe Nr. 1A1 in Tabelle 1 und ist eine normale Aufschlämmungskomposition, wie sie für SermaLoy J benutzt wird, und zwar mit einem Feststoffgehalt von etwa 60 Gew.-%. Es ergibt sich ein Überzug, bei welchem das Aluminium 85 Gew.-% des gesamten Metallpulvergehalts bildet und der Siliziumgehalt 15 Gew.-%. Bei der Herstellung kombinieren sich die zweiten, dritten und vierten Bestandteile und bilden ein Magnesiumsalz der Chromsäure und der Phosphorsäure, und dies ist der Binder für die metallischen Bestandteile, um eine Aushärtung des Überzugs zu gewährleisten. Aber dieser wird später aus dem Überzug bei der Diffusionswärmebehandlung ausgetrieben.Slurry A corresponds to the slurry of sample number 1A1 in Table 1 and is a normal slurry composition as used for SermaLoy J with a solids content of about 60 wt.%. It results in a coating in which the aluminum constitutes 85 wt.% of the total metal powder content and the silicon content 15 wt.%. During manufacture, the second, third and fourth components combine to form a magnesium salt of chromic acid and phosphoric acid and this is the binder for the metallic components to ensure hardening of the coating. However, this is later driven out of the coating during diffusion heat treatment.
Die Aufschlämmung B besitzt einen genügenden Zusatz von Chrompulver, um einen Überzug zu schaffen, bei dem 10 Gew.-% des gesamten Metallpulvergehalts aus Chrom bestehen. Dies entspricht der Aufschlämmung Probe Nr. 1B3 in Tabelle 1.Slurry B has sufficient chromium powder added to provide a coating in which 10 wt.% of the total metal powder content is chromium. This corresponds to slurry sample No. 1B3 in Table 1.
Vor der Anwendung der Aufschlämmung wurden die Proben in Heißdampf von 1,1,1-Trichloräthan entfettet und dann mit einem 90/120-mesh-Aluminiumoxid-Schleifmittel bestrahlt, um die Oberfläche für den Überzug vorzubereiten. Der Schleifstrahl-Bearbeitungsvorgang wurde in einer Druckkammer bei einem Druck von 20 psi oder 138 kPa durchgeführt.Prior to application of the slurry, the samples were degreased in superheated steam from 1,1,1-trichloroethane and then blasted with a 90/120 mesh alumina abrasive to prepare the surface for coating. The blasting operation was carried out in a pressure chamber at a pressure of 20 psi or 138 kPa.
Es wurde ein dünner feuchter Überzug aus jeder Aufschlämmung auf die gereinigten Proben aufgebracht, und zwar unter Benutzung herkömmlicher Spritzverfahren. Nachdem das Wasser verdampft war, wurde der Aufschlämmüberzug bei 80ºC (175ºF) wenigstens 15 Minuten lang getrocknet und dann 30 Minuten lang bei 350ºC (660ºF) ausgehärtet.A thin moist coating was obtained from each slurry applied to the cleaned samples using conventional spraying techniques. After the water evaporated, the slurry coating was dried at 80ºC (175ºF) for at least 15 minutes and then cured at 350ºC (660ºF) for 30 minutes.
Die Aushärtungstemperaturen für konventionelle Überzüge sind geeignet. Es ist möglich, eine Aushärtung bei höheren Temperaturen, beispielsweise bei etwa 600ºC vorzunehmen, um den Aushärtprozeß zu beschleunigen, vorausgesetzt, daß die gewählte Temperatur genügend weit unter dem Schmelzpunkt von Aluminium liegt. Es wäre auch möglich, eine Aushärtung bei niedrigeren Temperaturen vorzunehmen, und zwar in Übereinstimmung mit einer vernünftigen Zeitdauer für die Aushärtung.The curing temperatures for conventional coatings are suitable. It is possible to cure at higher temperatures, for example around 600ºC, to speed up the curing process, provided that the temperature chosen is sufficiently below the melting point of aluminium. It would also be possible to cure at lower temperatures, consistent with a reasonable curing time.
Nach Abkühlung der Proben wurde die Dicke des Überzugs aufgebaut, indem weitere Aufschlämmüberzüge aufgebracht und ausgehärtet wurden, und zwar nach dem oben angegebenen Verfahren. Das Gewicht (die Dicke) des auf diese Weise auf die Proben aufgebrachten Überzugs war standardisiert mit insgesamt etwa 17 bis 27 mg/cm² der ausgehärteten Aufschlämmung. Das untere Ende des Bereichs ist mehr geeignet für die konventionellen SermaLoy J-Überzüge, während das obere Ende des Bereichs mehr geeignet ist für das schwerere Gewicht der Überzüge gemäß der Erfindung, wobei das Schwermetall Chrom als wesentlicher Bestandteil eingebaut ist.After the samples had cooled, the thickness of the coating was built up by applying and curing additional slurry coatings using the procedure outlined above. The weight (thickness) of the coating thus applied to the samples was standardized to a total of about 17 to 27 mg/cm2 of cured slurry. The lower end of the range is more appropriate for the conventional SermaLoy J coatings, while the upper end of the range is more appropriate for the heavier weight of the coatings of the invention incorporating the heavy metal chromium as an essential component.
Jede der überzogenen Proben wurde dann einem speziellen Diffusionswärmebehandlungsplan unterworfen. Für viele Proben wurde dabei die normale SermaLoy J-Wärmebehandlung angewandt, die eine Erhitzung auf 870ºC (1600ºF) oder 885ºC (1625ºF) umfaßte, und die Proben wurden bei jener Temperatur 2 Stunden lang gehalten, um eine Diffusion zwischen den Überzugsbestandteilen und dem Basismaterial herbeizuführen. Bei anderen Versuchen wurden Änderungen in der Temperatur und der Zykluszeit vorgenommen, wie dies be schrieben wurde, und es wurden noch weitere Versuche durchgeführt.Each of the coated samples was then subjected to a specific diffusion heat treatment schedule. For many samples, the standard SermaLoy J heat treatment was used, which involved heating to 870ºC (1600ºF) or 885ºC (1625ºF) and holding the samples at that temperature for 2 hours to induce diffusion between the coating components and the base material. In other tests, changes in temperature and cycle time were made as needed. was written and further experiments were carried out.
Wenn sich die Proben nach der Wärmebehandlung abgekühlt hatten, dann wurden die nicht-diffundierten Reste durch leichtes Strahlen mit -140 +220 Glasperlen bei 20 psi (138 kPa) in einem Saugbläser entfernt. Bei einigen Varianten der Wärmebehandlungspläne wurden die Proben einer Reinigungsbehandlung zwischen der ersten und der zweiten Wärmebehandlung unterworfen, beispielsweise bei der Probe 1B9 in Tabelle 1.When the samples were cooled after heat treatment, the undiffused residues were removed by light blasting with -140 +220 glass beads at 20 psi (138 kPa) in an aspirator. In some variations of the heat treatment schedules, the samples were subjected to a cleaning treatment between the first and second heat treatments, for example in sample 1B9 in Table 1.
Sämtliche diffundierten Proben wurden geschnitten, montiert und auf einem Standard-Laboratoriumsgerät poliert. Der Schnitt wurde unter Benutzung konventioneller elastischer Schneidscheiben in Verbindung mit einem Kühlmittel durchgeführt, wie dies bei einer normalen SermaLoy J-Produktionsüberzugsteststücken-Prüfung geschah.All diffused samples were cut, mounted and polished on standard laboratory equipment. Cutting was performed using conventional elastic cutting wheels in conjunction with a coolant, as would be done in normal SermaLoy J production coating test pieces testing.
Die obige Tabelle 1 zeigt verschiedene Proben, ihre Zusammensetzung und Wärmebehandlung.Table 1 above shows different samples, their composition and heat treatment.
Zunächst wurden die diffundierten Überzüge einer optischen oder elektronischen Mikroskopie und einer elektronischen Sondenmikroanalyse (EPMA) unterzogen.First, the diffused coatings were subjected to optical or electronic microscopy and electronic probe microanalysis (EPMA).
Sämtliche diffundierten Proben wurden visuell mit relativ geringer Vergrößerung (x40) mit Binokularen untersicht und anschließend mikroskopisch. Für jede Probe wurden Bemerkungen aufgezeichnet bezüglich Bedingung, Farbe, Mikrostruktur usw. Insbesondere wurden die geschnittenen Proben im Hinblick auf Mikrorisse überprüft, die von dem Schneidprozeß herrührten und eine Anzeige dafür lieferten, wie spröde der Überzug war und wie das Ansprechen auf Bean spruchungen ist. Einige der Proben wurden einer Röntgenstrahluntersuchung unterworfen, um Risse festzustellen, und sie wurden einer EPMA-Prüfung unterworfen, um festzustellen, wo die einzelnen Elemente in dem Überzug befindlich waren und wie ihre Konzentrationspegel waren.All diffused samples were examined visually at relatively low magnification (x40) with binoculars and then microscopically. Notes were recorded for each sample regarding condition, color, microstructure, etc. In particular, the cut samples were checked for microcracks resulting from the cutting process, which provided an indication of how brittle the coating was and how the response to Bean Some of the samples were X-rayed to detect cracks and were subjected to EPMA testing to determine where the individual elements were located in the coating and what their concentration levels were.
Typische Mikrophotographien der Überzugsschnitte dieser Beispiele sind in den Fig. 4 bis 13, 26 bis 30 und 32 dargestellt, und Beispiele von EPMA sind in den Fig. 14 bis 22 und 31 dargestellt, entsprechend den Mikrostrukturen gemäß Fig. 14 bis 22. Die Ursprünge der EPMA-Graphiken (d. h. die Basislinien für den Beginn einer jeden Abtastung durch die Elektronensonde) lagen kurz hinter der äußeren Oberfläche des Überzugs.Typical photomicrographs of the coating sections of these examples are shown in Figures 4 to 13, 26 to 30 and 32 and examples of EPMA are shown in Figures 14 to 22 and 31, corresponding to the microstructures of Figures 14 to 22. The origins of the EPMA graphics (i.e., the baselines for the beginning of each electron probe scan) were located just beyond the outer surface of the coating.
Unterschiedliche Zonen der Mikrophotographie-Schnitte werden durch die folgenden Buchstabenschlüssel angezeigt:Different zones of the photomicrograph sections are indicated by the following letter codes:
A - Probenlagerverbindung (beispielsweise 'Bakelite' (Warenzeichen))A - Sample storage compound (e.g. 'Bakelite' (trademark))
B - Nickelplattierung - einige Überzugsoberflächen wurden während der Vorbereitung der Probe mit Nickel plattiert.B - Nickel plating - some plating surfaces were plated with nickel during sample preparation.
C - Mit Silizium angereicherte Oberflächenzone, wo Chromsilizid und andere Silizide insbesondere konzentriert sind. Diese Zone ist fleckig, oder sie fehlt bei einigen Proben.C - Silicon-enriched surface zone where chromium silicide and other silicides are particularly concentrated. This zone is patchy or absent in some samples.
D - Ablagerungszone, bestehend aus abwechselnd aufeinanderfolgenden Schichten von Silizidphasen und Aluminidphasen - diese Zone ist nicht immer klar von anderen Zonen zu unterscheiden.D - Depositional zone consisting of alternating successive layers of silicide phases and aluminide phases - this zone is not always clearly distinguishable from other zones.
E - Aluminidzone, vorherrschend bestehend aus Aluminidphasen, jedoch mit größeren oder geringeren Mengen von Silizid-Ausfällungen.E - Aluminide zone, predominantly consisting of aluminide phases, but with greater or lesser amounts of silicide precipitates.
X - Ausfällzone. Bei Proben, die hohen Diffusionstemperaturen ausgesetzt wurden, eine Aluminidzone mit vorherrschend Silizid-Ausfällungen hitzebeständiger Metalle, aber mit einer niedrigeren Aluminiumkonzentration als bei Proben, die bei normaler Diffusionstemperatur behandelt wurden.X - Precipitation zone. In samples exposed to high diffusion temperatures, an aluminide zone with predominantly silicide precipitates of refractory metals, but with a lower aluminum concentration than in samples treated at normal diffusion temperatures.
Y - Mit Nickel angereicherte Zone. Bei Proben, die einer hohen Diffusionstemperatur ausgesetzt wurden, eine Aluminidzone mit hohem Nickelgehalt.Y - Nickel enriched zone. In samples subjected to a high diffusion temperature, an aluminide zone with a high nickel content.
F - Eine Interface-Diffusionszone. An der Zwischenfläche zwischen dem Überzug und dem Substratmaterial, wo die Kornstruktur durch den Diffusionsprozeß sichtbar gealtert wurde.F - An interface diffusion zone. At the interface between the coating and the substrate material, where the grain structure has been visibly aged by the diffusion process.
G - Substratmaterial - in allen Proben. Dies war IN 738- Superlegierungsmaterial.G - Substrate material - in all samples. This was IN 738 superalloy material.
Die Fig. 4 zeigt einen herkömmlichen SermaLoy J-Überzug mit einer Mikrostruktur, die auf einem IN-738-Substrat aufgebracht und der normalen Diffusionswärmebehandlung, wie oben erwähnt, ausgesetzt wurde.Figure 4 shows a conventional SermaLoy J coating with a microstructure deposited on an IN-738 substrate and subjected to the normal diffusion heat treatment as mentioned above.
Wie aus Fig. 4 ersichtlich, ist der Überzug insgesamt etwa 50 um dick und zeigt die obigen Zonen C, D, E und F. Die mit Silizium angereicherte Oberflächenzone C ist nur etwa 5 um dick. Die Ablagerungszone D, wo Aluminidphasen und Silizidphasen miteinander vermischt sind, ist etwa 15 um dick, aber die Schichten sind etwas unterbrochen. Die Aluminidzone E zeigt Silizid-Ausfällungen. Die Interface-Diffusionszone F ist etwa 5 um dick. Die letztere Zone zählt nicht als Teil der Dicke des Überzugs im Hinblick auf die Zwecke der Erfindung, da diese Zone ihrem Charakter nach sowohl ein Teil des Überzugs als auch des Substratmaterials G ist. Die Zonen X und Y sind nicht vorhanden, da bei die sem Beispiel eine Diffusionstemperatur von nur 870ºC angewandt wurde.As can be seen from Fig. 4, the coating is about 50 µm thick overall and shows the above zones C, D, E and F. The silicon-enriched surface zone C is only about 5 µm thick. The deposition zone D, where aluminide phases and silicide phases are mixed together, is about 15 µm thick, but the layers are somewhat interrupted. The aluminide zone E shows silicide precipitates. The interface diffusion zone F is about 5 µm thick. The latter zone does not count as part of the thickness of the coating for the purposes of the invention, since this zone is by its nature part of both the coating and the substrate material G. The zones X and Y are not present, since in the In this example, a diffusion temperature of only 870ºC was used.
Diese Probe wurde einem EPMA-Verfahren unterworfen, mit dem Ergebnis, welches in den Fig. 14A und 14B dargestellt ist, wodurch bestätigt wurde, daß der Überzug eine Zusammensetzung aus Nickelaluminid und Siliziden ist, primär von Chromsiliziden. Während der Diffusion der SermaLoy J-Legierung sind die Affinitäten von Al zu Ni und von Si zu Cr die vorherrschenden Merkmale. Die gemessene Konzentration von Silizium in der Oberflächenzone beträgt bis zu 38 Atom-% (34 Gew.-%) Silizium an Stellen innerhalb der ersten 10 um der Überzugsoberfläche. Risse zeigten sich bei der Probe nach Fig. 4, wenn diese einer visuellen Inspektion und einer Röntgenstrahl-Inspektion unterzogen wurde.This sample was subjected to an EPMA process with the result shown in Figures 14A and 14B, confirming that the coating is a composition of nickel aluminide and silicides, primarily chromium silicides. During diffusion of the SermaLoy J alloy, the affinities of Al to Ni and Si to Cr are the predominant features. The measured concentration of silicon in the surface zone is up to 38 atomic % (34 wt.%) silicon at locations within the first 10 µm of the coating surface. Cracks were evident in the sample of Figure 4 when subjected to visual inspection and X-ray inspection.
Bei der SermaLoy J-Legierung gibt es einen hohen Pegel einer Siliziumseigerung in der Oberflächenzone, was den überlegenen Schutz gegenüber normalen Aluminiden erklärt. Diese Siliziumkonzentration bewirkt jedoch ein schnelles Ausbreiten von Rissen, nachdem die Rißbildung eingesetzt hat, obgleich die Schwelle zur Einleitung von Rissen relativ hoch ist.In SermaLoy J alloy, there is a high level of silicon segregation in the surface zone, which explains the superior protection over normal aluminides. However, this silicon concentration causes rapid crack propagation after cracking has started, although the threshold for crack initiation is relatively high.
Nickelaluminide mit höherer Aluminiumkonzentration führen zur Erzeugung von Multiphasenstrukturen, die die mechanischen Eigenschaften des Überzugs schädlich beeinflussen. Es wurde festgestellt, daß ein Aufnahme-Aluminiumpegel innerhalb des Überzugs zwischen 25 und 30 Gew.-% liegen sollte, während Fig. 14 Al-Pegel zeigt, die ständig weit über 40 Atom-% (28,6 Gew.-%) liegen und im Spitzenwert über 50 Atom-% (35,7 Gew.-%) hinausgehen.Nickel aluminides with higher aluminum concentration lead to the creation of multiphase structures which adversely affect the mechanical properties of the coating. It was found that an acceptable aluminum level within the coating should be between 25 and 30 wt.%, while Fig. 14 shows Al levels consistently well above 40 atomic % (28.6 wt.%) and peaking at over 50 atomic % (35.7 wt.%).
Als Ergebnis der mikroskopischen Betrachtungen und der EPMA-Betrachtungen wurden die folgenden Schlüsse, betreffend die Wirksamkeit der Zusammensetzung und der Verfahrensänderungen, die oben beschrieben sind, gezogen.As a result of the microscopic observations and the EPMA observations, the following conclusions were drawn regarding the effectiveness of the composition and the process changes described above.
Für eine zweckmäßige Bezugnahme der relativen Dicken der Zonen, die in den Fig. 4 bis 13 erscheinen, sollte die folgende Tabelle 2 herangezogen werden. Für jede gegebene Probennummer wird die Gesamtüberzugsdicke in um angegeben und ebenso die angenäherte prozentuale Zunahme in der Gesamtdicke des Überzugs bei jeder Probe relativ zu der Standard-SermaLoy J-Probe, und außerdem wird die Dicke in um jeder Zone C, D, E, X, Y und F angegeben, wenn diese vorhanden sind. In Klammern ist neben jeder absoluten Dickenangabe der Zone die Dicke als Prozentsatz der Gesamtüberzugsdicke angegeben. Für die Zone F sind jedoch keine Prozentwerte angegeben, da diese Zone nicht als Teil der Gesamtdicke des Überzugs zählt. TABELLE 2 For convenient reference of the relative thicknesses of the zones appearing in Figures 4 through 13, reference should be made to Table 2 below. For any given sample number, the total coating thickness in µm is given, as is the approximate percent increase in total coating thickness for each sample relative to the standard SermaLoy J sample, and the thickness in µm of each Zone C, D, E, X, Y, and F is given when present. In parentheses next to each absolute zone thickness figure, the thickness is given as a percentage of the total coating thickness. However, no percentage values are given for Zone F since this zone does not count as part of the total coating thickness. TABLE 2
1. Al/Si Eutektisches Pulver: sucht C zu verringern, Dicke absolut D, sucht D% zu erhöhen1. Al/Si eutectic powder: seeks to reduce C, thickness absolute D, seeks to increase D%
2. Erhöhung von Cr führt zu dickeren Überzügen (aber nicht so ausgeprägt wie 1.) oben) und: sucht C zu verringern, Dicke absolut D, sucht D% zu erhöhen2. Increasing Cr leads to thicker coatings (but not as pronounced as 1.) above) and: seeks to decrease C, thickness absolute D, seeks to increase D%
3. Erhöhte Diffusionstemperatur führt zu viel dickeren Überzügen3. Increased diffusion temperature leads to much thicker coatings
Die Fig. 10 bis 13 zeigen Proben, bei denen der Metallgehalt des Überzugs, der aufgebracht und gehärtet wurde, aus elementaren Pulvern besteht, die durch Zusatz unterschiedlicher Mengen von Chrom zwischen 3 und 13 Gew.-% modifiziert wurden. Die Diffusionswärmebehandlung erfolgte bei 885ºC zwei Stunden lang.Figures 10 to 13 show samples where the metal content of the coating that was applied and cured consisted of elemental powders modified by the addition of varying amounts of chromium ranging from 3 to 13 wt.%. The diffusion heat treatment was carried out at 885ºC for two hours.
Aus der Tabelle 2 ist ersichtlich, daß mit höheren Chromzusatzanteilen die Zone C der Proben in der Dicke vermindert wird, während die Zone D in ihrer Dicke zunimmt.From Table 2 it can be seen that with higher chromium addition rates, the thickness of zone C of the samples is reduced, while the thickness of zone D increases.
Bemerkenswert in den Fig. 10 und 12 ist, daß der hohe Chromgehalt von 10 und 13,4 Gew.-% bei den Proben 4E bzw. 5E die Erhöhung der Oberflächenzone stark reduziert hat und gute Silizidablagerungen und -ausfällungen über den Rest der Überzugsdicke eingeführt hat. In Fig. 10 scheint sich die Ablagerung auch über die Zone E zu erstrecken, obgleich die Ablagerung nicht in der unteren Hälfte der Überzugstiefe vorherrschend ist. Fig. 11 (hier beträgt der Chromgehalt nur 6,7 Gew.-%) zeigt eine etwas mehr ausgeprägte Oberflächenzone C, wobei der Rest des Überzugs in gleicher Weise zwischen den Zonen D und E aufgeteilt ist. Die Zone E zeigt eine besonders gute Silizidbildung.It is notable in Figures 10 and 12 that the high chromium content of 10 and 13.4 wt.% in samples 4E and 5E, respectively, has greatly reduced the surface zone elevation and introduced good silicide deposits and precipitation over the remainder of the coating thickness. In Figure 10, the deposit also appears to extend over zone E, although the deposit is not predominant in the lower half of the coating depth. Figure 11 (here the chromium content is only 6.7 wt.%) shows a slightly more pronounced surface zone C, with the remainder of the coating equally divided between zones D and E. Zone E shows particularly good silicide formation.
Die Probe 9E (Fig. 13) hat nur 3,3 Gew.-% Chrom und einen erhöhten Siliziumgehalt im Vergleich mit der Probe J, und das führt zu einer mehr ausgeprägten siliziumreichen Oberflächenzone C, aber zu einer dünneren Ablagerungszone E.Sample 9E (Fig. 13) has only 3.3 wt.% chromium and an increased silicon content compared to sample J, and this results in a more pronounced silicon-rich surface zone C, but a thinner deposition zone E.
Fig. 5 zeigt die überzogene Probe 1A6, bei der der Metallgehalt des Überzugs, wie er aufgebracht und gehärtet wurde, aus elementaren Pulvern besteht, modifiziert durch den Zusatz von 10 Gew.-% Silizium und 5 Gew.-% Chrom, auf Ko sten des Aluminiumgehalts. Die Diffusionswärmebehandlung war die gleiche, wie sie normalerweise für die SermaLoy J- Legierung Anwendung fand. Die Oberflächenschichtzone C ist nicht merklich dicker als bei der Probe J, wobei die Zone D sehr dünn und nicht sehr ausgeprägt ist. Jedoch ist der Überzug um 40% dicker als bei der Probe J, und unter Bezugnahme auf das EPMA-Ergebnis in Fig. 18 ist es bemerkenswert, daß die Gewichtsprozente von Si, Al, Cr und Ni über die Tiefe des Überzugs sehr viel konstanter sind als bei der Probe J. Insbesondere ist festzustellen, daß der Al- Gehalt über 20 bis 24 Gew.-% durchgehend ist und die maximal gemessene Siliziumkonzentration in der oberen Zone des Überzugs 10 Gew.-% beträgt. Der hieraus zu ziehende Schluß besteht darin, daß der Zusatz von Chrom die Verteilung von Si über den Überzug unterstützt, daß aber das zusätzliche Si dazu beigetragen hat, die dickere Zone C zu bilden.Fig. 5 shows the coated sample 1A6, where the metal content of the coating as applied and cured consists of elemental powders modified by the addition of 10 wt.% silicon and 5 wt.% chromium on Ko sten of the aluminum content. The diffusion heat treatment was the same as normally used for the SermaLoy J alloy. The surface layer zone C is not appreciably thicker than that of sample J, with zone D being very thin and not very pronounced. However, the coating is 40% thicker than that of sample J, and with reference to the EPMA result in Fig. 18, it is noteworthy that the weight percents of Si, Al, Cr and Ni are much more constant throughout the depth of the coating than in sample J. In particular, it is noted that the Al content is continuous over 20 to 24 wt.% and the maximum measured silicon concentration in the upper zone of the coating is 10 wt.%. The conclusion to be drawn from this is that the addition of chromium assists in the distribution of Si throughout the coating, but that the additional Si has helped to form the thicker zone C.
Bei der Probe 1A6 zeigten sich keine Risse, was auf eine gute Dehnbarkeit zurückzuführen ist.No cracks were observed in sample 1A6, which can be attributed to good ductility.
Allgemein zeigte die Überprüfung anderer nicht dargestellter Proben, daß der Zusatz von Chrom in die Aufschlämmung zu einer dickeren Ablagerungszone D auf Kosten der mit Silizium angereicherten Oberflächenzone C führt. Hierdurch wurde außerdem die Dispersion der Silizide durch die Zone E vergrößert. Es könnte weiteres Silizium zugesetzt werden, um die Bildung einer dickeren durch Silizium angereicherten Oberflächenzone C zu erhalten, wenn dies erwünscht ist.In general, examination of other samples not shown showed that the addition of chromium to the slurry resulted in a thicker deposition zone D at the expense of the silicon-enriched surface zone C. This also increased the dispersion of the silicides throughout the zone E. Additional silicon could be added to obtain the formation of a thicker silicon-enriched surface zone C if desired.
Wenn jedoch Chrom den Aufschlämmungen zugesetzt wurde, die eine eutektische Al-Si-Legierung hatten, dann war die Wirkung nicht so ausgeprägt.However, when chromium was added to the slurries that had a eutectic Al-Si alloy, the effect was not as pronounced.
Die Ergebnisse bei Zusatz von Tantal und Titan zu der Aufschlämmung zeigten im Überzug eine andere Wirkung, wie dies aus den Fig. 15 bis 16 und 19 ersichtlich ist.The results when tantalum and titanium were added to the slurry showed a different effect on the coating, as can be seen from Figs. 15 to 16 and 19.
Bei Anwendung auf einem IN 738-Substrat liegen in einem SermaLoy J-Überzug die Konzentrationen von Ta und Ti in der siliziumreichen Oberflächenzone C bei etwa 1 Gew.-% bzw. Gew.-% (vgl. Fig. 14A). Die Probe 1A2 (Fig. 15B) und die Probe 1A5 (Fig. 17B) zeigen jedoch Ta-Konzentrationen bis herauf zu 3%, während die Proben 1A4 und 1A7 Ti-Konzentrationen bis herauf zu 5% bzw. 10% zeigen. Die EPMA- Aufzeichnung zeigt hier, daß die zusätzlichen Mengen von Ta und Ti in den fertigen Überzug eingebracht wurden, aber anstatt Silizide innerhalb des Körpers des Überzugs zu bilden, wurden Ta und Ti in der Zone C konzentriert, wenigstens wenn sie in Verbindung mit elementaren Al- und Si- Pulvern benutzt wurden.When applied to an IN 738 substrate, a SermaLoy J coating, the concentrations of Ta and Ti in the silicon-rich surface zone C are about 1 wt.% and 1 wt.%, respectively (see Fig. 14A). However, Sample 1A2 (Fig. 15B) and Sample 1A5 (Fig. 17B) show Ta concentrations up to 3%, while Samples 1A4 and 1A7 show Ti concentrations up to 5% and 10%, respectively. The EPMA record here shows that the additional amounts of Ta and Ti were incorporated into the finished coating, but instead of forming silicides within the body of the coating, Ta and Ti were concentrated in zone C, at least when used in conjunction with elemental Al and Si powders.
Es hat sich gezeigt, daß Tantal ohne Titan die Überzüge im Hinblick auf Rissebildung günstig beeinflußte, wahrscheinlich infolge der Fehlanpassung in der Atomgröße zwischen Ta und Si, was eine Beanspruchung in der Mikrostruktur der Oberflächenzone verursachte, wo Ta konzentriert war. Wenn jedoch Ti und Ta zusammen benutzt wurden, wurden die silizidreichen Zonen breiter als jene der normalen SermaLoy J- Legierung, und dies tendierte zu einer geringeren Anfälligkeit gegenüber Rissebildung.Tantalum without titanium was found to favorably affect the coatings with respect to cracking, probably due to the mismatch in atomic size between Ta and Si, which caused stress in the microstructure of the surface zone where Ta was concentrated. However, when Ti and Ta were used together, the silicide-rich zones became wider than those of the normal SermaLoy J alloy and this tended to make them less susceptible to cracking.
Die chemischen Differenzen, die in der Zone C durch Ta und Ti relativ zur SermaLoy J-Legierung erzeugt wurden, beruhen auf ihrer Fähigkeit, Silizide zu bilden und in ihre feste Lösung mit Chromsilizid überzugehen, um komplexe Silizide zu erzeugen, und ihrer Affinität für Nickel aus dem Substrat, um intermetallische Verbindungen, beispielsweise Ni3Ti, zu erzeugen. Zusätzlich führte beides zur Erzeugung einer Aluminiumoxid-Schutzhaut auf der Oberfläche des Überzugs im Betrieb, da hierdurch die Freisetzung von Aluminium aus der Aluminidphase unterstützt wurde. Obgleich TiO2 für sich allein keinen wirksamen Schutz bewirkt, kann es dazu beitragen, den Zusammenhalt der Aluminiumoxidhaut zu verbessern. Tantal bildet außerdem ein dichtes stabiles Oxid im Betrieb, und dieses Oxid bildet einen guten Schutz.The chemical differences created in Zone C by Ta and Ti relative to SermaLoy J alloy are due to their ability to form silicides and to solid-solution with chromium silicide to form complex silicides and their affinity for nickel from the substrate to form intermetallics such as Ni3Ti. In addition, both resulted in the creation of a protective alumina skin on the surface of the coating during service as this assisted in the release of aluminum from the aluminide phase. Although TiO2 does not provide effective protection on its own, it can help to improve the cohesion of the alumina skin. Tantalum also forms a dense stable oxide during service and this oxide provides good protection.
Wenn Aufschlämmungen untersucht wurden, die eine eutektische Al-Si-Legierung und Ta und Ti enthielten, zeigte es sich, daß die Ta- und Ti-Bestandteile gleichmäßiger im Überzug verteilt waren als bei Benutzung elementarer Si- und Al-Pulver. Dies wird klar aus dem Vergleich der Verteilung von Ti und Ta (insbesondere Ti) in den äußersten Schichten des Überzugs 1A15 (eine Komposition, die eutektische Pulver mit Ti und Ta enthält), wie dies aus Fig. 21B ersichtlich ist, und zwar im Vergleich mit der Verteilung jener Elemente in der Standard-SermaLoy J-Legierung (Fig. 14B). Diese Beobachtung bestätigt die unter Absatz (ii) erwähnte Wirkung, die die gleichförmigere Verteilung von Siliziden innerhalb des Überzugs betrifft, wenn eutektische Al-Si-Pulver benutzt werden.When slurries containing a eutectic Al-Si alloy and Ta and Ti were examined, the Ta and Ti components were found to be more evenly distributed throughout the coating than when elemental Si and Al powders were used. This is clear from comparing the distribution of Ti and Ta (especially Ti) in the outermost layers of coating 1A15 (a composition containing eutectic powders with Ti and Ta) as shown in Fig. 21B, compared with the distribution of those elements in the standard SermaLoy J alloy (Fig. 14B). This observation confirms the effect mentioned in paragraph (ii) concerning the more uniform distribution of silicides throughout the coating when eutectic Al-Si powders are used.
Fig. 6 ist eine Elektronenabtast-Mikrographie der Überzugsprobe 1A9, wobei der Metallgehalt des Überzugs, der aufgetragen und ausgehärtet wurde, vollständig aus pulversisierter Aluminium-Silizium-Legierung eutektischer Zusammensetzung bestand. Die Diffusionswärmebehandlung war die gleiche, die normalerweise für die SermaLoy J-Legierung benutzt wird. Fig. 6 sollte in Verbindung mit Fig. 20 betrachtet werden, die das Ergebnis der entsprechenden EPMA- Prüfung zeigt.Fig. 6 is an electron scanning micrograph of coating sample 1A9, where the metal content of the coating that was applied and cured consisted entirely of powdered aluminum-silicon alloy of eutectic composition. The diffusion heat treatment was the same as that normally used for SermaLoy J alloy. Fig. 6 should be viewed in conjunction with Fig. 20, which shows the result of the corresponding EPMA test.
Der Überzug ist etwa 85 um tief, und das bedeutet um 35 um (70%) tiefer als jener gemäß Fig. 4. Die Zone F ist flach und feinkörnig, wie bei Fig. 4, und dies führt zu guten mechanischen Eigenschaften an der Zwischenfläche.The coating is about 85 µm deep, which is 35 µm (70%) deeper than that of Fig. 4. Zone F is flat and fine-grained, as in Fig. 4, and this leads to good mechanical properties at the interface.
Im Gegensatz zu Fig. 4 ist die Zone C in Fig. 6 sehr dünn und fleckig und wurde nicht als Teil der Gesamtdicke des Überzugs betrachtet, aber die Zone D umfaßt etwa die äußeren 40% der Überzugsdicke, nämlich ungefähr 35 um. Außerdem ist die Ablagerung in der Zone D nicht so unterbrochen wie in der gleichen Zone gemäß Fig. 4.In contrast to Fig. 4, zone C in Fig. 6 is very thin and patchy and was not considered as part of the total coating thickness, but zone D comprises about the outer 40% of the coating thickness, namely about 35 µm. In addition, the deposition in zone D is not as interrupted as in the same zone according to Fig. 4.
Die Zone E in Fig. 6 ist etwa 20 um dicker als die gleiche Zone in Fig. 4, aber sie nimmt etwa den gleichen Anteil der Gesamtüberzugsdicke ein.Zone E in Fig. 6 is about 20 µm thicker than the same zone in Fig. 4, but it occupies about the same proportion of the total coating thickness.
Aus Fig. 20 ist ersichtlich, daß das Silizium in der Probe 1A9 gleichförmiger über den Überzug verteilt ist als bei der Probe J, wobei die gemessene Konzentration nunmehr etwa 8% überschreitet.From Fig. 20 it can be seen that the silicon in sample 1A9 is more uniformly distributed throughout the coating than in sample J, with the measured concentration now exceeding about 8%.
Bei einer mikroskopischen Untersuchung zeigten sich keine Risse in dem Überzug.A microscopic examination revealed no cracks in the coating.
Die Probe 9U (vgl. Fig. 7A) wurde mit einer etwas höheren Diffusionstemperatur behandelt als die Proben J und 1A9, welche jedoch immer noch normal ist bei einer SermaLoy J- Überzugsproduktion. Dabei waren ungefähr 69 Gew.-% von eutektischem Al-Si-Pulver vorhanden mit elementaren Zusätzen von Aluminium und Silizium und etwa 3 Gew.-% Chrom.Sample 9U (see Fig. 7A) was treated at a slightly higher diffusion temperature than samples J and 1A9, but still normal for SermaLoy J coating production. It contained approximately 69 wt.% of eutectic Al-Si powder with elemental additions of aluminum and silicon and about 3 wt.% chromium.
Die Gesamtüberzugsdicke ist nur um 20% größer als in Fig. 4, wobei die Zone C etwas mehr ausgeprägt ist als in Fig. 6, aber mit mehr Flecken versehen als in Fig. 4. Obgleich die Zone D für die Probe 9U dicker ist als für die Probe J, ist diese Differenz nicht ausgeprägt. Es ist klar, daß ein Teil des Silizidgehalts, der als Schichten über die Zone D in Fig. 6 (Überzug 1A9) ausgebreitet ist, in die Oberflächenzone C gemäß Fig. 7A geseigert ist (Überzug 9U, eutektisches Pulver + Cr-Pulver).The total coating thickness is only 20% greater than in Fig. 4, with zone C being slightly more pronounced than in Fig. 6, but more patchy than in Fig. 4. Although zone D is thicker for sample 9U than for sample J, this difference is not pronounced. It is clear that a portion of the silicide content spread as layers over zone D in Fig. 6 (coating 1A9) has segregated into the surface zone C of Fig. 7A (coating 9U, eutectic powder + Cr powder).
Indem Ti- und Ta-Pulver dem eutektischen Al-Si-Legierungspulver und dem Chrompulver in der Aufschlämmung 1A15 zugesetzt wird, erzeugt man ein Aluminid mit einer besseren homogenen Mikrostruktur als bei irgendeiner anderen eutektischen Legierungsaufschlämmung, die diese Bestandteile nicht enthält. Keine der Ablagerungen der siliziumreichen Phasen, die im Überzug 1A9 ersichtlich sind (Zone D in Fig. 6), ist in der äußeren Zone des 1A15-Aluminids (Fig. 7B) sichtbar. Diese Silizide sind statt dessen gleichförmig innerhalb der Nickelaluminide in jener Zone verteilt. Obgleich die Mikrosondenanalyse in den Fig. 21A und 21B zeigte, daß dort ein gleicher Anteil von Silizium in 1A15 (bis zu ungefähr 6%) wie in den anderen Überzügen vorhanden war, so lehrt doch Fig. 21A, daß dieses Silizium ganz gleichförmig über diese äußere Zone ausgebreitet war. Dies ist bei der Struktur des Überzugs 1A9 (Fig. 20) nicht der Fall. Bei jenem Überzug, der durch Diffusion der eutektischen Al-Si-Legierung ohne Zusatz von Cr, Ti oder Ta erzeugt wurde, sind die Siliziumkonzentrationen in den äußeren Schichten mehr variabel.By adding Ti and Ta powder to the Al-Si eutectic alloy powder and chromium powder in 1A15 slurry, an aluminide with a more homogeneous microstructure is produced than any other eutectic alloy slurry that does not contain these components. None of the deposits of the silicon-rich phases evident in coating 1A9 (zone D in Fig. 6) is visible in the outer zone of the 1A15 aluminide (Fig. 7B). These silicides are instead uniformly distributed within the nickel aluminides in that zone. Although the microprobe analysis in Figs. 21A and 21B showed that there was an equal proportion of silicon in 1A15 (up to about 6%) as in the other coatings, Fig. 21A teaches that this silicon was quite uniformly distributed throughout this outer zone. This is not the case with the structure of coating 1A9 (Fig. 20). In the coating produced by diffusion of the eutectic Al-Si alloy without the addition of Cr, Ti or Ta, the silicon concentrations in the outer layers are more variable.
Weiterhin ist aus Fig. 21 ersichtlich, daß Cr, Ti und Ta ganz gleichförmig über den Überzug verteilt sind. Wenn Cr der eutektischen Aufschlämmung ohne Ti und Ta (Überzug 9U, Fig. 7A) zugesetzt wurde, dann blieben die Chromsilizide sichtbar konzentriert in den äußeren Zonen C und D.Furthermore, it can be seen from Fig. 21 that Cr, Ti and Ta are distributed quite uniformly throughout the coating. When Cr was added to the eutectic slurry without Ti and Ta (coating 9U, Fig. 7A), the chromium silicides remained visibly concentrated in the outer zones C and D.
Diese Evidenz zeigte, daß das Ti- und Ta-Metall, das den Aufschlämmungen zugesetzt wurde, in dem Aluminid enthalten ist, das erzeugt wird, wenn diese Aufschlämmungen diffundiert werden. Diese Zusätze verteilen Si und Cr weiter über den Überzug, als es ohne diese Zusätze möglich wäre, und es erfolgt eine Vermischung und Verstärkung des Homogenisierungseinflusses des eutektischen Al-Si-Legierungspulvers.This evidence showed that the Ti and Ta metal added to the slurries are contained in the aluminide produced when these slurries are diffused. These additions distribute Si and Cr further throughout the coating than would be possible without these additions, and there is mixing and enhancing the homogenizing effect of the eutectic Al-Si alloy powder.
Allgemeine Schlüsse, die aus der Prüfung der anderen Proben gezogen wurden, stehen in Übereinstimmung mit den obigen Betrachtungen. Es hat sich gezeigt, daß gemäß der Erfindung diejenigen Aufschlämmungen, die die Al-Si-Legierung in eutektischer Zusammensetzung enthielten, dickere Überzüge ergaben als Aufschlämmungen mit elementaren Al- und Si- Pulvern. Es war offenbar, daß einige der Silizide, die insbesondere in der Nähe der Oberfläche bei einer normalen SermaLoy J-Legierung konzentriert waren, sich gleichmäßiger über die Dicke des Überzugs verteilten.General conclusions drawn from the examination of the other samples are consistent with the above considerations. It was found that according to the invention, those slurries containing the Al-Si alloy in eutectic composition gave thicker coatings than slurries containing elemental Al and Si powders. It was apparent that some of the silicides, particularly near the surface, at normal SermaLoy J alloy were more evenly distributed throughout the thickness of the coating.
Eine Überprüfung der Proben zeigte, daß der Zusatz von weiterem Silizium zur Aufschlämmung die mit Silizid angereicherten äußeren Zonen bildeten, die dicker waren, aber es zeigte sich, daß ein geringerer Si-Gehalt als in einer normalen SermaLoy J-Legierung vorhanden war. Dies ist im Falle der Überzugsprobe 1A6 in den Fig. 5 und 18 illustriert, wie dies oben beschrieben wurde.Examination of the samples showed that the addition of more silicon to the slurry produced the silicide-enriched outer zones which were thicker, but were found to have a lower Si content than in a normal SermaLoy J alloy. This is illustrated in the case of coating sample 1A6 in Figures 5 and 18 as described above.
Es wurden Schwierigkeiten erwartet bei der Feststellung der Wirkung, die Bor auf die Überzüge hat, infolge der Beschränkungen der benutzten EPMA-Technik. Ein Effekt des Einschlusses von Bor als fakultativer Bestandteil der Überzüge gemäß der Erfindung besteht darin, daß es wahrscheinlich ist, wenigstens die Aluminidphasen des Überzugs dehnbarer zu machen. Da dies ein Mittel zur Erniedrigung des Schmelzpunktes ist, werden vorzugsweise kleinere Mengen benutzt, um günstige Wirkungen auf den Überzug in einer Hochtemperaturumgebung zu schaffen.Difficulties were expected in determining the effect that boron has on the coatings due to the limitations of the EPMA technique used. One effect of including boron as an optional component of the coatings according to the invention is that it is likely to make at least the aluminide phases of the coating more ductile. Since this is a means of lowering the melting point, smaller amounts are preferably used to provide beneficial effects on the coating in a high temperature environment.
Bei auf Nickel basierenden Legierungen müssen die Silizium- Aluminium-Aufschlämmungen bei über etwa 854ºC diffundieren, und vorzugsweise bei 870 bis 885ºC, damit eine mit Aluminium angereicherte NiAl-Phase ohne Erzeugung einer spröden stöchiometrischen NiAl3-Phase erhalten wird. Diese kritische Temperatur bestätigte sich bei dieser Überprüfung, wenn die Diffusionstemperatur auf 760ºC mit dem Ziel abgesenkt wurde, die Diffusionsrate von Al und infolgedessen ein Ansteigen der Al-Konzentration (d. h. Reduzierung der Si-Konzentration) in der äußeren Zone dieser Überzüge zu vermindern. In diesem Fall wurden dünnere Überzüge erzeugt, und ihre Al-Pegel waren zu hoch. Es war nicht überraschend, als es sich zeigte, daß die Rissebildung schwerwiegender war bei Proben, die bei 760ºC diffundiert wurden, als jene, die bei 870 bis 885ºC diffundiert wurden.For nickel-based alloys, the silicon-aluminium slurries must diffuse above about 854ºC, and preferably between 870 and 885ºC, to obtain an aluminium-enriched NiAl phase without producing a brittle stoichiometric NiAl3 phase. This critical temperature was confirmed in this review when the diffusion temperature was increased to 760ºC with the aim of was lowered to reduce the diffusion rate of Al and consequently an increase in Al concentration (ie reduction in Si concentration) in the outer zone of these coatings. In this case, thinner coatings were produced and their Al levels were too high. It was not surprising when it was found that cracking was more severe in samples diffused at 760ºC than those diffused at 870-885ºC.
Eine Diffusion bei Temperaturen über 1000ºC erzeugte Überzüge, die dicker und dehnbarer waren als jene, die bei 870ºC erzeugt wurden, wobei noch eine bessere Dispersion der siliziumreichen Phasen in dem Überzug erreicht wurde.Diffusion at temperatures above 1000ºC produced coatings that were thicker and more ductile than those produced at 870ºC, while achieving even better dispersion of the silicon-rich phases in the coating.
Wenn eine Diffusion bei 1000ºC und darüber unter Zusatz von Chrom in die Aufschlämmung kombiniert wurde, ergab sich eine zweckmäßige Kombination von Wirkungen, und diese Proben waren speziell gegenüber der Bildung von Rissen widerstandsfähig.When diffusion at 1000ºC and above was combined with the addition of chromium into the slurry, a useful combination of effects was obtained and these samples were particularly resistant to cracking.
Eine Diffusion bei 870ºC bis 885ºC (normale Diffusionstemperaturen) bewirkt das, was als 'hochaktiver Aluminierungsprozeß' bezeichnet werden kann, wobei die Einwärtsdiffusion von Aluminium die Hauptreaktion ist.Diffusion at 870ºC to 885ºC (normal diffusion temperatures) causes what can be described as a 'highly active aluminizing process', with inward diffusion of aluminum being the main reaction.
Bei 1120ºC wird die Auswärtsdiffusion von schweren Elementen, insbesondere von Nickel in einem auf Nickel basierenden Material, deutlicher, und dies führt zu einem Aluminierungsprozeß mit geringerer Aktivierung. Wenn sich Nickel in den Überzug hineinbewegt, dann verbleiben andere Elemente, die normalerweise in einer festen Lösung mit Nickel befindlich sind, in dem Substrat, um säulenförmige Karbide in der Diffusionszwischenzone auszufällen. Einige Proben, beispielsweise 1B9 (Fig. 8) und 1B18 (Fig. 9 und 22), wurden daher zunächst normalen Diffusionstemperaturen zwei Stunden lang ausgesetzt, und dann wurden sie erhöhten Diffusionstemperaturen für weitere zwei Stunden ausgesetzt, um die hohen/niedrigen Aluminid-Aktivitätscharakteristiken zu erhalten.At 1120ºC, the outward diffusion of heavy elements, particularly nickel in a nickel-based material, becomes more pronounced and this results in a lower activation aluminization process. As nickel moves into the coating, other elements that are normally in solid solution with nickel remain in the substrate to precipitate columnar carbides in the diffusion interzone. Some samples, for example 1B9 (Fig. 8) and 1B18 (Figs. 9 and 22), were therefore first exposed to normal diffusion temperatures for two hours and then exposed to elevated diffusion temperatures for a further two hours, to obtain the high/low aluminide activity characteristics.
Eine Prüfung der Proben zeigte, daß bei einer Erhöhung der Diffusionstemperatur auf 1120ºC immer eine Interface- Diffusionszone F erzeugt wurde, die säulenförmige Karbide enthält. Im Vergleich mit der Probe J und einigen anderen wurden geringere Al-Konzentrationen in dem Körper des Überzugs erreicht, und ein niedrigerer Si-Gehalt ergab sich in der äußeren Zone. Dies ist aus den Fig. 9 und 22 ersichtlich.Examination of the samples showed that when the diffusion temperature was increased to 1120ºC, an interface diffusion zone F containing columnar carbides was always produced. Compared with sample J and some others, lower Al concentrations were achieved in the body of the coating and a lower Si content was found in the outer zone. This can be seen from Figs. 9 and 22.
Die Probe 1B9 in Fig. 8 zeigt das Ergebnis einer Hochtemperaturdiffusion einer Aufschlämmung, deren Metallpulvergehalt eine 100%ige eutektische Al-Si-Legierung ist.Sample 1B9 in Fig. 8 shows the result of high-temperature diffusion of a slurry whose metal powder content is a 100% eutectic Al-Si alloy.
Am bemerkenswertesten ist die stark vergrößerte Gesamtdicke des Überzugs, die um 130% größer ist als bei der Probe J, was aus der oben erwähnten Verdickungswirkung der eutektischen Legierung und der erhöhten Diffusionstemperatur resultiert. Im Gegensatz zur Probe 1A9, die aus einem eutektischen Legierungspulver besteht, aber bei niedrigeren Temperaturen diffundiert ist, ergibt sich eine ausgeprägte 5 um dicke, mit Silizium angereicherte Oberflächenzone C, vermutlich infolge der größeren Einwärtsdiffusion von Aluminium. Jedoch wurde eine dicke Ablagerungszone wie bei der Probe 1A9 erzeugt, und eine gute Ausfällformation über die darunterliegenden Zonen ist wahrscheinlich evident.Most notable is the greatly increased total coating thickness, 130% greater than that of sample J, resulting from the above-mentioned thickening effect of the eutectic alloy and the increased diffusion temperature. In contrast to sample 1A9, which consists of a eutectic alloy powder but diffused at lower temperatures, a distinct 5 µm thick silicon-enriched surface zone C results, presumably as a result of the greater inward diffusion of aluminum. However, a thick deposition zone was produced as in sample 1A9, and good precipitation formation over the underlying zones is probably evident.
Die Fig. 9 und 22 zeigen auch Merkmale, die von der Kombination von zwei unterschiedlichen Überzugsmodifizierungsänderungen herrühren, nämlich von der Benutzung eines zusätzlichen Anteils eines heftigen Silizidbildners in der Aufschlämmungsmischung (+10 Gew.-% Cr) und einer erhöhten Diffusionstemperatur von 1120ºC. Die Mikrostruktur zeigt eine fleckige Zone C und eine dickere Ablagerungszone D, ungeachtet der Tatsache, daß die Gesamtdicke des Überzugs etwas kleiner ist als bei der Probe 1B9 in Fig. 8. Chrom scheint die Wirkung zu haben, die Silizidbildung innerhalb der Zonen D, X und Y auf Kosten der Zone C zu verbessern.Figures 9 and 22 also show features resulting from the combination of two different coating modification changes, namely the use of an additional amount of a violent silicide former in the slurry mixture (+10 wt.% Cr) and an increased diffusion temperature of 1120°C. The microstructure shows a patchy zone C and a thicker deposit zone D, despite the fact that the total thickness of the coating is slightly less than that of sample 1B9 in Figure 8. Chromium appears to have the effect of enhancing silicide formation within zones D, X and Y at the expense of zone C.
Die hohe Diffusionstemperatur hat, wie oben erklärt, relativ zur Probe J eine modifizierte Zone F. Ein Einwandern der schwereren (hitzebeständigen) Elemente in das IN 738- Basismaterial, d. h. Mo, W, Ti, Cr, Ta und Nb, wurde erhöht, zusammen mit dem Kohlenstoff, der bereits in der Legierung enthalten war. Diese hitzebeständigen Elemente sind heftige Karbidbildner, und infolgedessen wird ihre Bewegung durch den Überzug durch Karbidbildung an der Zwischenfläche stillgesetzt. Dies ist vorteilhaft, weil ihre Oxide eine schädliche Wirkung auf die Schutzeigenschaften der Oberflächenhaut des Überzugs haben, die sich im Betrieb bildet, so daß sie möglichst von der Oberfläche ferngehalten werden sollten.The high diffusion temperature has, as explained above, a modified zone F relative to sample J. Migration of the heavier (heat-resistant) elements into the IN 738 base material, i.e. Mo, W, Ti, Cr, Ta and Nb, was increased, together with the carbon already contained in the alloy. These heat-resistant elements are violent carbide formers and, as a result, their movement through the coating is arrested by carbide formation at the interface. This is advantageous because their oxides have a detrimental effect on the protective properties of the surface skin of the coating which forms during service, so they should be kept away from the surface as far as possible.
Ein Problem bei der Durchführung einer Hochtemperaturdiffusionswärmebehandlung bei 1120ºC besteht darin, daß hierdurch eine nachteilige Wirkung auf die mechanischen Eigenschaften der IN 738-Legierung und anderer Superlegierungen ausgeübt wird, weil die Verstärkungskorngrenzen- Ausfällungen, die bei der normalen Ausfällhitzebehandlung erzeugt werden, in eine feste Lösung zurückfallen. Jedoch kann die richtige Struktur wiederhergestellt werden, indem die überzogene Legierung einer weiteren Ausfällwärmebehandlung unterzogen wird. Diese beträgt bei der IN 738- Legierung 24 Stunden bei 840ºC.A problem with performing a high temperature diffusion heat treatment at 1120ºC is that it has an adverse effect on the mechanical properties of IN 738 alloy and other superalloys because the strengthening grain boundary precipitates produced by normal precipitation heat treatment fall back into solid solution. However, the correct structure can be restored by subjecting the coated alloy to a further precipitation heat treatment. This is 24 hours at 840ºC for IN 738 alloy.
Eine Verlängerung der Zeitdauer bei der normalen Diffusionstemperatur von 870ºC bis 885ºC führte zu einer Verminderung der Rissebildung in den Proben. Eine Verlängerung der Diffusionswärmebehandlungszeit erzeugte auch etwas dickere Überzüge, aber die Wirkung war nicht so ausgeprägt wie sie es bei der erhöhten Temperatur war.Increasing the time at the normal diffusion temperature from 870ºC to 885ºC resulted in a reduction in cracking in the samples. Increasing the diffusion heat treatment time also produced some thicker coatings, but the effect was not as pronounced as it was at the increased temperature.
Insgesamt wurde eine geringe Änderung der Überzugsstruktur festgestellt, was zeigte, daß die Zeiten, die bei der Serma-Loy J-Produktion benutzt wurden, d. h. 2 Stunden, ausreichen, um einen ordnungsgemäß diffundierten Überzug zu erzeugen.Overall, little change in the coating structure was observed, demonstrating that the times used in Serma-Loy J production, i.e. 2 hours, are sufficient to produce a properly diffused coating.
Eine Prüfung auf beschleunigte Hitzekorrosion wurde bei Proben aus Stiften aus IN 738 vorgenommen. Diese Stifte hatten einen Durchmesser von 6,5 mm und waren 65 mm lang, und sie waren mit verschieden gestalteten, vorstehend beschriebenen, Überzügen versehen und durch unterschiedliche Verfahren hergestellt.Accelerated heat corrosion testing was carried out on specimens of pins made of IN 738. These pins had a diameter of 6.5 mm and were 65 mm long, and were coated with various designs as described above and manufactured by different processes.
Vor der Aufbringung der Überzugsaufschlämmung wurden die Proben in einem heißen Dampf von 1,1,1-Trichloräthan entfettet und dann mit einem Aluminiumoxidgrieß (90/120 mesh) bei 20 psi oder 138 kPa bestrahlt.Prior to application of the coating slurry, the samples were degreased in a hot vapor of 1,1,1-trichloroethane and then blasted with alumina grit (90/120 mesh) at 20 psi or 138 kPa.
Es wurde ein dünner feuchter Überzug aus jeder Aufschlämmung auf die bestrahlten Proben aufgebracht, und zwar unter Benutzung herkömmlicher Spritzpistolen. Nach Verdampfung des Wassers wurde die aufgesprühte Aufschlämmung bei 80ºC (175ºF) wenigstens 15 Minuten lang getrocknet und dann während 30 Minuten bei 350ºC (660ºF) ausgehärtet.A thin wet coating of each slurry was applied to the irradiated samples using conventional spray guns. After the water evaporated, the sprayed slurry was dried at 80ºC (175ºF) for at least 15 minutes and then cured at 350ºC (660ºF) for 30 minutes.
Nachdem die Proben abgekühlt waren, wurde die Überzugsdicke aufgebaut, indem weitere Aufschlämmüberzüge gemäß der in bezug auf die Scheibenproben beschriebene Prozedur aufgebracht wurden.After the samples were cooled, the coating thickness was built up by applying additional slurry coatings according to the procedure described with respect to the disk samples.
Eine jede dieser überzogenen Proben wurde dann einer Diffusionswärmebehandlung unterworfen, während der eine Diffu sion bei 885ºC zwei Stunden lang erfolgte. Nach Abkühlung der Proben nach ihrer Wärmebehandlung wurden nicht-diffundierte Reste durch leichtes Bestrahlen mit -140 +220 Glasperlengrieß mit 20 psi (138 kPa) in einer Absaugblasvorrichtung entfernt.Each of these coated samples was then subjected to a diffusion heat treatment during which a diffusion sion at 885ºC for two hours. After cooling the samples following their heat treatment, non-diffused residues were removed by light irradiation with -140 +220 glass bead grit at 20 psi (138 kPa) in an exhaust blower.
Bei den Heiß-Korrosionsversuchen wurden die Stifte 3 Minuten lang in einer offenen Flamme erhitzt, die mit Propan gespeist wurde, wobei eine stetige Temperatur von 950ºC (1740ºF) innerhalb von 60 Sekunden erreicht wurde. Dann wurden die heißen Stifte auf Raumtemperatur innerhalb von 60 Sekunden in einer feinversprühten wäßrigen Lösung abgeschreckt, die 1 Gew.-% Na2SO4 und 10 Gew.-% NaCl enthielt. Nach dreiminütigem Aufsprühen wurde der vollständige Erhitzungs- und Abschreckzyklus wiederholt, und dies wurde während einer Gesamtzeit von 140 Stunden fortgesetzt. Etwa alle sieben bis acht Stunden wurde der Versuch unterbrochen, und die Stifte wurden entfernt, durch Ultraschall in entionisiertem Wasser gereinigt, abgewogen und visuell überprüft. Alle fehlerhaften Stifte wurden entfernt und durch reine Stifte ersetzt, um die Masse ständig gleich zu halten.In the hot corrosion tests, the pins were heated for 3 minutes in an open flame fed with propane, reaching a steady temperature of 950ºC (1740ºF) within 60 seconds. Then, the hot pins were quenched to room temperature within 60 seconds in a finely sprayed aqueous solution containing 1 wt% Na2SO4 and 10 wt% NaCl. After three minutes of spraying, the complete heating and quenching cycle was repeated, and this continued for a total of 140 hours. Approximately every seven to eight hours, the test was interrupted and the pins were removed, cleaned ultrasonically in deionized water, weighed, and visually inspected. All defective pins were removed and replaced with clean pins to keep the mass constant.
Es wurden drei unterschiedliche Versuche durchgeführt, wobei vier oder fünf unterschiedliche Überzugsproben in jedem Versuch benutzt wurden, und zwar jeweils mit unterschiedlichen Überzugsproben auf drei Stiften, wodurch 12 bis 15 Stifte bei jedem Versuch benutzt wurden. Drei dieser Stifte bei jedem Versuch waren mit einer normalen SermaLoy- J-Legierung versehen.Three different tests were conducted, using four or five different plating samples in each test, each with different plating samples on three pins, thus 12 to 15 pins were used in each test. Three of these pins in each test were coated with normal SermaLoy-J alloy.
Die Ergebnisse dieses Versuchs sind in den Fig. 23 (15 Stifte), 24 (12 Stifte) und 25 (15 Stifte) illustriert, und diese Figuren zeigen graphische Darstellungen, die den Gewichtsverlust in Milligramm angeben, aufgetragen über der Untersuchungszeit in Stunden. Auf diesen graphischen Darstellungen beziehen sich die durchgehenden Linien auf unterschiedliche Typen von Überzugsproben, und sie geben nur einen Durchschnittsgewichtswert für jeden Stift an und beziehen sich daher nicht auf individuelle Stiftergebnisse, die weiter unten diskutiert werden. Die graphischen Linien für Stifte, die mit einer normalen SermaLoy J-Legierung überzogen waren, sind mit 'J' bezeichnet.The results of this test are illustrated in Figures 23 (15 pins), 24 (12 pins) and 25 (15 pins) and these figures show graphs indicating the weight loss in milligrams versus the test time in hours. On these graphs the solid lines refer to different types of coating samples and they only give an average weight value for each pin and therefore do not refer to individual pin results, which are discussed below. The graph lines for pins coated with normal SermaLoy J alloy are labeled 'J'.
Zwei der Überzugsproben in Fig. 23 sind eine spezielle Betrachtung Wert.Two of the coating samples in Fig. 23 are worth special consideration.
Es wurden drei Stifte im Hinblick auf die Überzugsprobe 1A9 überprüft, welche die Überzugszusammensetzung gemäß Tabelle 1 hatte. Etwa während der ersten 40 Stunden des Versuchs verloren die Proben 1A9 deutlich weniger Gewicht mit einer kleineren Rate als die anderen Proben einschließlich der SermaLoy J-Prüfstücke. Nach 40 bis 50 Stunden trat bei zwei der 1A9-Proben eine schnelle Verschlechterung ein, obgleich eine mit 1A9' auf der graphischen Darstellung bezeichnete ein besseres fortgesetztes Verhalten zeigte als all die anderen Proben, bis der Versuch nach 60 Stunden vollendet war.Three pins were tested for coating sample 1A9, which had the coating composition shown in Table 1. During approximately the first 40 hours of the test, the 1A9 samples lost significantly less weight at a slower rate than the other samples, including the SermaLoy J specimens. After 40 to 50 hours, two of the 1A9 samples began to deteriorate rapidly, although one, labeled 1A9' on the graph, showed better continued performance than all of the other samples until the test was completed at 60 hours.
Die andere bemerkenswerte Überzugsprobe in Fig. 23 ist die Nummer 1A6, und der Versuch umfaßt wiederum drei Stifte, die die mit der SermaLoy J-Legierung überzogenen Stifte überdauerten. Wie aus der Tabelle 1 ersichtlich, bestand diese Überzugsprobe, die in Verbindung mit den Fig. 5 und 18 beschrieben wurde, aus elementaren Silizium- und Aluminiumpulvern mit 5 Gew.-% Chrom und 10 Gew.-% Silizium, zugesetzt auf Kosten des gewöhnlichen Aluminiumgehalts einer normalen SermaLoy J-Legierung. Das bessere Verhalten ist wahrscheinlich eine Folge des Vorhandenseins einer dicken siliziumreichen Oberflächenschicht C, die aus dem zusätzlichen Silizium und dem Zusatz von Chrom als heftigem Silizidbildner resultiert.The other notable coating sample in Fig. 23 is number 1A6, and the test again includes three pins that outlasted the SermaLoy J alloy coated pins. As can be seen from Table 1, this coating sample, described in connection with Figs. 5 and 18, consisted of elemental silicon and aluminum powders with 5 wt.% chromium and 10 wt.% silicon added at the expense of the usual aluminum content of a normal SermaLoy J alloy. The better performance is probably a consequence of the presence of a thick silicon-rich surface layer C resulting from the additional silicon and the addition of chromium as a vigorous silicide former.
Die Proben 1B3 und 1B9, die einer Hochtemperaturdiffusionswärmebehandlung (Tabelle 1) unterzogen worden sind, zeigten kein optimales Verhalten. Es wird angenommen, daß der Ab fall des Heiß-Korrosionswiderstands eine Folge der Abreicherung des Aluminiumgehalts in den Überzügen ist, der in das Substratmaterial während der Hochtemperaturbehandlung eingewandert ist.Samples 1B3 and 1B9, which were subjected to high temperature diffusion heat treatment (Table 1), did not show optimal behavior. It is assumed that the The decrease in hot corrosion resistance is a consequence of the depletion of the aluminum content in the coatings, which has migrated into the substrate material during the high temperature treatment.
Nichtsdestoweniger können im Betrieb, wo die Heiß-Korrosion kein schwerwiegendes Problem ist, der dickere, dehnbarere Überzug und die bessere Dispersion der Silizide darin, wie dies in den Beispielen angegeben ist, als vorteilhafte Anordnung der Hochtemperaturbehandlung betrachtet werden, insbesondere in Kombination mit Zusätzen von Silizidbildnern in die Aufschlämmung.Nevertheless, in service where hot corrosion is not a serious problem, the thicker, more ductile coating and the better dispersion of the silicides therein, as indicated in the examples, can be considered an advantageous arrangement of the high temperature treatment, especially in combination with additions of silicide formers to the slurry.
Nunmehr wird auf Fig. 24 Bezug genommen. Das Verhalten der Proben 7E, 4E und 9E ist bemerkenswert. Obgleich durchschnittlich die 4E- und 7E-Stifte einen Gewichtsverlust mit einer größeren Rate als die SermaLoy J-Legierung nach ungefähr 75 Stunden zeigten, so war ihr vorheriger Gewichtsverlust geringer als bei den SermaLoy J-Proben. Außerdem zeigte einer der 7E-Stifte, der mit 7E' in der graphischen Darstellung bezeichnet ist, ständig eine sehr viel niedrigere Gewichtsverlustrate nach 75 Stunden als die SermaLoy J- Proben, und der Test wurde mit einer guten Dicke des verbliebenen Überzugs vollendet, während die drei SermaLoy J- Proben zerstört waren.Referring now to Fig. 24, the behavior of samples 7E, 4E and 9E is noteworthy. Although on average the 4E and 7E pins showed weight loss at a greater rate than the SermaLoy J alloy after approximately 75 hours, their prior weight loss was less than the SermaLoy J samples. In addition, one of the 7E pins, designated 7E' on the graph, consistently showed a much lower weight loss rate after 75 hours than the SermaLoy J samples, and the test was completed with a good thickness of coating remaining, while the three SermaLoy J samples were destroyed.
Es ist bemerkenswert, daß nach 75 Stunden einer der 4E- Stifte einen Gewichtsverlust mit einer bemerkenswert niedrigeren Rate zeigte als die SermaLoy J-Stifte, bis ungefähr 120 Stunden erreicht waren. Dieser Stift ist mit 4E' auf der graphischen Darstellung angegeben.It is noteworthy that after 75 hours, one of the 4E pins showed weight loss at a noticeably lower rate than the SermaLoy J pins until approximately 120 hours were reached. This pin is indicated as 4E' on the graph.
Die Tatsache, daß die meisten 4E- und 7E-Stifte keine so günstigen Ergebnisse zeigten wie 4E und 7E, kann eine Folge des zusätzlichen schweren Chrompulvers in der Überzugsaufschlämmung sein, wodurch es schwierig wird, einen gleichförmigen Auftrag über die Oberflächen des Stifts zu gewährleisten, während die Vorbereitung erfolgt.The fact that most 4E and 7E pins did not show as favorable results as 4E and 7E may be a result of the additional heavy chromium powder in the coating slurry, making it difficult to ensure a uniform coating across the pin surfaces while preparing.
In bezug auf die Überzugsprobe 9E ist es wichtig, festzustellen, daß während der früheren Stufen des Versuchs die Stifte ein weniger günstiges Verhalten zu zeigen schienen als die anderen, aber ihr Verhalten war gleichförmiger am Ende des Versuchs, und sie wurden nicht einem rapiden Gewichtsverlust des verbleibenden Überzugs unterworfen, welches die SermaLoy J-Überzugsproben charakterisiert. Es war immer noch eine gewisse Überzugsdicke bei all den 9E-Stiften am Ende des Versuchs verfügbar.With respect to coating sample 9E, it is important to note that during the earlier stages of the test the pins appeared to exhibit less favorable behavior than the others, but their behavior was more uniform at the end of the test and they were not subjected to rapid weight loss of the remaining coating that characterizes the SermaLoy J coating samples. There was still some coating thickness available on all of the 9E pins at the end of the test.
Nunmehr wird auf Fig. 25 Bezug genommen. Hier werden die Versuchsergebnisse für drei Überzugsproben 9U (Tabelle 1) mit drei SermaLoy J-Proben verglichen und auch mit drei Proben eines jeden der drei anderen Überzüge, die mit 1U, 2U und 6U bezeichnet sind und in Tabelle 1 nicht dargestellt sind. Alle diese Proben enthielten eutektisches Al- Si-Legierungspulver in der Überzugsaufschlämmung.Referring now to Fig. 25, the test results for three coating samples 9U (Table 1) are compared with three SermaLoy J samples and also with three samples of each of the three other coatings, labeled 1U, 2U and 6U, not shown in Table 1. All of these samples contained eutectic Al-Si alloy powder in the coating slurry.
Der Überzug 1U diente als eine Art negativer Standard zur Prüfung der Voraussetzungen der Versuchsstrategie. Die Aufschlämmung enthielt in Anteilen des Metallpigmentgehalts Gew.-% Chrom mit einem Si- und Al-Gehalt von nur 5 Gew.-% bzw. 75 Gew.-%, wobei ein Teil des Aluminiumgehalts und des Siliziumgehalts elementare Pulver sind und ein Teil aus einem eutektischen Legierungspulver besteht. Das durch diese Aufschlämmung erzeugte Aluminid schien sehr streckbar zu sein, aber zeigte nicht den Mikrostrukturaufbau, der sich als notwendig für einen guten Heiß-Korrosionswiderstand erwiesen hat. Die mit dieser Zusammensetzung überzogenen Stifte fielen schnell aus (vgl. Fig. 25).Coating 1U served as a kind of negative standard to test the assumptions of the experimental strategy. The slurry contained, in proportion to the metal pigment content, chromium by weight with Si and Al contents of only 5 wt.% and 75 wt.%, respectively, with part of the aluminum content and silicon content being elemental powders and part consisting of a eutectic alloy powder. The aluminide produced by this slurry appeared to be very ductile, but did not exhibit the microstructure build-up that has been shown to be necessary for good hot corrosion resistance. The pins coated with this composition failed quickly (see Fig. 25).
Der Überzug 2U enthielt kein Chrom, wobei der Siliziumgehalt und der Aluminiumgehalt 25 Gew.-% bzw. 75 Gew.-% betrug. Wie zuvor, bestand ein Teil des Aluminiumgehalts und des Siliziumgehalts aus elementaren Pulvern, und ein Teil bestand aus einem eutektischen Legierungspulver.Coating 2U contained no chromium, with the silicon content and aluminum content being 25 wt% and 75 wt%, respectively. As before, part of the aluminum content and silicon content consisted of elemental powders and part consisted of a eutectic alloy powder.
Der Überzug 6U enthielt ebenfalls kein Chrom, und der Siliziumgehalt und der Aluminiumgehalt betrugen 15 Gew.-% bzw. 85 Gew.-%. Daher ist es in bezug auf den gesamten Al- und Si-Gehalt das gleiche wie bei einer Standard-SermaLoy- J-Aufschlämmung, aber wiederum bestand ein Teil des Aluminiumgehalts und des Siliziumgehalts aus elementaren Pulvern, und ein Teil bestand aus einem eutektischen Legierungspulver.Coating 6U also contained no chromium, and the silicon content and aluminum content were 15 wt% and 85 wt%, respectively. Therefore, in terms of total Al and Si content, it is the same as a standard SermaLoy J slurry, but again, part of the aluminum content and silicon content consisted of elemental powders, and part consisted of a eutectic alloy powder.
Sämtliche der 2U- und 6U-Stifte fielen lange vor Ausfall der SermaLoy J-Proben aus, aber bei 140 Stunden hatten die drei 9U-Stifte immer noch Überzüge, während die drei Serma-Loy J-Stifte ausgefallen waren, was durch den Kreuzungspunkt X der J-Linie und der 9U-Linie der graphischen Darstellung angegeben ist.All of the 2U and 6U pins failed long before the failure of the SermaLoy J samples, but at 140 hours the three 9U pins still had coatings while the three SermaLoy J pins had failed, as indicated by the intersection point X of the J line and the 9U line on the plot.
Die sich schließlich ergebende Gesamtrangfolge der besten Überzugsproben im Hinblick auf Gewichtsverlust während der Korrosionsversuche ist wie folgt, und zwar beginnend mit dem geringsten Gewichtsverlust: 9E, J, 9U, 4E und 7E.The final overall ranking of the best coating samples in terms of weight loss during the corrosion tests is as follows, starting with the lowest weight loss: 9E, J, 9U, 4E and 7E.
Ein mit der Überzugsprobe 9E überzogener Stift liefert einen Überzug mit verbessertem Verhalten. Wenn ein Überzug des Beispiels 9U auf eine Rotorschaufel eines Gasturbinentriebwerks aufgetragen wird, ergibt sich ein vergleichbar verbesserter Überzug. In gleicher Weise liefert ein Überzug auf dem stromlinienförmigen Arbeitsabschnitt gemäß der Probe 1A6 einen Überzug mit einer dickeren Oberflächenschicht mit vermindertem Siliziumgehalt und verbessertem Verhalten.A pin coated with coating sample 9E provides a coating with improved performance. When a coating of example 9U is applied to a gas turbine engine rotor blade, a similarly improved coating is obtained. Similarly, a coating on the airfoil working section according to sample 1A6 provides a coating with a thicker surface layer with reduced silicon content and improved performance.
Andere Turbinenteile wie Leitschaufeln, Scheiben, Wände von Brennkammern, Nachbrenner, Schubumkehrvorrichtungen, Wellen und Zubehör hierfür wie Befestigungsmittel, Bolzen usw., profitieren von den Überzügen gemäß der Erfindung beträchtlich.Other turbine parts such as vanes, disks, walls of combustion chambers, afterburners, thrust reversers, shafts and accessories therefor such as fasteners, bolts, etc., benefit considerably from the coatings according to the invention.
Ein Befestigungsmittel, welches mit der Überzugsprobe 9U überzogen ist, liefert einen Überzug mit verbessertem Verhalten.A fastener which is tested with the coating sample 9U coated provides a coating with improved performance.
Die Überzüge gemäß der Erfindung sind nicht auf Gasturbinentriebwerke beschränkt, sondern umfassen Überzüge für irgendwelche mit Überzug versehenen Teile aus Superlegierungen, die Arbeitsbedingungen ausgesetzt sind, wie sie normalerweise bei hin- und hergehenden Maschinen, bei Raumfahrzeugen (aerodynamisch, erhitzte Oberflächen), Dampfleistungsturbinen und dergleichen auftreten.The coatings of the invention are not limited to gas turbine engines, but include coatings for any coated superalloy parts subjected to working conditions normally encountered in reciprocating machinery, spacecraft (aerodynamic, heated surfaces), steam power turbines, and the like.
Die oben berichteten Untersuchungen wurden mit Proben durchgeführt, die aus einer auf Nickel basierenden IN 738-Superlegierung bestanden. Auf Kobalt basierende Superlegierungen und austenitische rostfreie Stahl-Superlegierungen ergeben bei einem Überzug gemäß der Erfindung vergleichbar verbesserte Überzüge.The tests reported above were carried out on samples consisting of a nickel-based IN 738 superalloy. Cobalt-based superalloys and austenitic stainless steel superalloys give comparably improved coatings when coated in accordance with the invention.
Der Heiß-Korrosionswiderstand in Verbindung mit dem Widerstand gegenüber der Einleitung von Rissen im Überzug einer Superlegierung ist ein schwerwiegendes Problem, dem sich die Industrie gegenübersieht. Das Problem wird zunehmend kritischer, wenn die Benutzungsbedingungen weitere Forderungen stellen. Die vorliegende Erfindung trägt zur Lösung dieses Problems auf diesem Gebiet bei.Hot corrosion resistance combined with resistance to crack initiation in the coating of a superalloy is a serious problem facing the industry. The problem becomes increasingly critical as the conditions of use become more demanding. The present invention contributes to solving this problem in this field.
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