DE69527510T2

DE69527510T2 - Oxidationsbeständige beschichtung für titanlegierungen

Info

Publication number: DE69527510T2
Application number: DE69527510T
Authority: DE
Inventors: A. Beers; M. Berczik; A. Noetzel
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: RTX Corp
Priority date: 1994-02-17
Filing date: 1995-02-15
Publication date: 2003-02-27
Anticipated expiration: 2015-02-16
Also published as: EP1209248B1; JP3774472B2; EP0745146B1; DE69527510D1; EP0745146A1; US5580669A; KR970701273A; KR100365807B1; EP1209248A2; WO1995022636A1; DE69533933T2; DE69533933D1; JPH09509221A; EP1209248A3

Description

Die Erfindung betrifft das Aufbringen einer Beschichtung auf ein Titanlegierungssubstrat, um dessen Oxidationsbeständigkeit und dadurch seine Hochtemperatureignung zu erhöhen, ohne die mechanischen Eigenschaften des Titansubstrats zu beeinträchtigen.
Titanlegierungen besitzen eine ideale Kombination aus Festigkeit und niedriger Dichte für viele luftfahrttechnische Anwendungen, einschließlich Gasturbinenmaschinen und insbesondere Gasturbinenmaschinen-Verdichterlaufschaufeln, -leitschaufeln und zugehörige Bauteile. Titan ist jedoch ein sehr reaktionsfreudiges Metall und ist anhaltender Verbrennung unter Bedingungen ausgesetzt, wie sie in Gasturbinenmaschinenverdichtern auftreten, wo Umgebungsluft auf Drücke in der Größenordnung von 2,76 MPa (400 psi) bei Temperaturen über 454ºC (850ºF) verdichtet wird. Außerdem leiden die meisten Titanlegierungen bei derart hohen Temperaturen unter verringerten mechanischen Eigenschaften.
Jüngste Forschung auf dem Gebiet der Titanlegierungen hat zur Entwicklung einer Familie von Legierungen geführt, welche nutzbare mechanische Eigenschaften bis zu mindestens 649ºC (1200ºF) zeigen. Diese Legierungen sind in US-A-5 176 762 von Berezik beschrieben. Berczik definiert eine Familie von Beta-Titanlegierungen mit außergewöhnlich hohen Temperaturfestigkeitseigenschaften in Verbindung mit fast gänzlichem Fehlen von Brennbarkeit, wobei die Legierungen mindestens 10 (Gewichts-)% Chrom, mindestens 20% Vanadium und mindestens 40% Titan enthalten und ausreichend Chrom enthalten, damit sie nicht brennend sind. Eine typische Legierung dieses Typs ist Titan - 35% Vanadium - 15% Chrom. Oxidation wird für Legierungen dieses Typs bei Temperaturen über etwa 538ºC (1000ºF) der begrenzende Faktor.
Bestehende Technologien zum Verbessern der Oxidationsbeständigkeit verschiedener Legierungen zur Verwendung bei erhöhten Temperaturen, wie beispielsweise Superlegierungen auf Nickelbasis, beinhalten ein Sich-Verlassen auf örtliches Erhöhen des Aluminiumgehalts der Legierung an der Oberfläche durch Aluminieren. Das Aluminieren von Titanlegierungen bewirkt in den meisten. Fällen jedoch ernste Einbußen bei den mechanischen Eigenschaften und macht sie so als Strukturmaterialien für Maschinenbauanwendungen nutzlos.
In US-A-2 856 333 lehrt Topelian das Elektroplatinieren von Aluminium, Titan oder anderen Metallen, die leicht oxidiert werden, mit Chrom, Nickel, Kupfer oder Messing. Eine feste Verbindung des Substrats mit der Elektroplatinierung wird dadurch erzielt, dass es mit einer Wasserstoffchlorid-Gasbehandlung konditioniert wird, um den Oxidfilm zu entfernen, der üblicherweise auf dem Metall vorhanden ist.
In US-A-2 992 135 lehrt Finlay die Aufbringung von Beschichtungen aus Aluminium, Zinn, Kupfer, Blei und anderen Metallen auf eine Titanbasis, um deren Nützlichkeit bei erhöhten Temperaturen zu verbessern, auf eine Weise, dass sich die Beschichtungen mit dem Oberflächenmetall verbinden oder legieren, um so eine permanent verbundene nicht-abreibende Schutzbeschichtung zu bilden. Beispielsweise wird Kupfer aufgebracht durch Eintauchen in Cuprochlorid, während Aluminium, Zinn oder Blei aus einer Metallschmelze aufgebracht werden.
In US-A-3 765 954 lehren Tokuda et al. die Herstellung von oberflächengehärteten Titanlegierungen durch Beschichten eines Substitutionsmetalls, beispielsweise Kupfer, darauf und Erwärmen des beschichteten Metalls in einer Stickstoffatmosphäre, um das Substitutionsmetall zu nitrieren. Eine gehärtete Schicht wird gebildet, welche reicher an stabiler Betaphase als das Basismetall ist.
Manty et al. lehren in US-A-4 433 005 die Herstellung von ermüdungsbeständigen Titanlegierungen, wobei die Ionenimplantation von Edelmetallen oder Titan zur Erhöhung der Hochtemperaturermüdungsfestigkeit von Titanlegierungen verwendet wird. Dieses Dokument lehrt auch, dass thermische Oxidation von Titan bei etwa 593ºC (1100ºF) durch Ionenimplantation von Calzium, Europium, Cerium, Yttrium; Zink, Aluminium, Indium, Nickel und Wismut verhindert werden kann, dass jedoch die reine Ionenimplantation ineffektiv zum Platinieren von Bauteilen aus Titan oder Titanlegierung mit einer oxidationsbeständigen Schutzbeschichtung ist, um verbesserte mechanische Eigenschaften in Gasturbinenverdichterumgebungen zu schaffen.
Zusätzlich zu dem Vorangehenden, lehren Caule et al. in US-A-3 341 369 verschiedene Legierungen auf Kupferbasis und Verfahren zu deren Herstellung. Die Bezugnahme ist auf die Bildung von Kupferlegierungen mit Beständigkeit gegen Oxidation als Folge der diskreten Verteilung eines komplexen Oxids in einer oberflächennahen Schicht gerichtet. Das Patent schlägt jedoch nicht die Verwendung einer Kupferlegierung als eine Beschichtung vor.
Eine Schutzbeschichtung für Titanbauteile, die eine Kupfer-Aluminium-Legierung aufweist, ist aus WO-A-94/01600 bekannt. Eine Platin-Zwischenschicht wird auf die Basislegierung aufgebracht.
Von einem ersten Gesichtspunkt aus betrachtet, liefert die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Verbessern der Oxidationsbeständigkeit eines Ti-Legierungssubstrats, aufweisend den Schritt des Aufbringens einer gleichförmigen Beschichtung aus einer Cu-Legierung auf das Substrat bei einer Substrattemperatur von unter 649ºC (1200ºF), um eine Diffusion von Beschichtungsbestandteilen in das Substrat und eine anschließende Ausbildung von Zwischenmetallverbindungen in dem Substrat zu unterbinden, wobei die Cu-Legierung Cu und von 0 bis 10 Gewichtsprozent (wt%) Al und von 0 bis 6 wt% Si aufweist, wobei die Prozentanteile von Al und Si nicht gleichzeitig Null sind.
Die vorliegende Erfindung betrifft die Aufbringung einer oxidationsbeständigen Kupferbronze als eine Beschichtung auf ein Titansubstrat. Geeignete Kupferbronzen fallen in drei Kategorien. Kupfer-Aluminiumbronzen, die durch Kupfer - 8% Aluminium (Cu-8Al) typisiert sind, welche geringere Mengen von Aluminium enthalten, wobei das Aluminium in ausreichender Menge vorhanden ist um einen schützenden Aluminiumoxid- oder Kupfer-Aluminat-Überzug zu bilden; Kupfer-Siliciumbronzen, die durch Kupfer - 4% Silicium (Cu4Si) typisiert sind, welche einen schützenden Silica- oder Kupfer-Silikat-Überzug bilden; und Kupfer-Aluminium-Siliciumbronzen, die generell einen Aluminiumoxid-oder Kupfer-Aluminat-Überzug bilden. Beispielhafte Beschichtungsmaterialien der Kupfer-Aluminium-Siliciumklasse der Bronzen beinhalten Kupfer - 4% Aluminium - 3% Silicium (Cu4Al-3Si), Kupfer - 3% Aluminium - 2% Silicium (Cu-3Al-2Si), Kupfer - 7% Aluminium - 3,5% Silicium (Cu- 7Al-3,5Si) und Kupfer - 4% Aluminium - 2% Silicium (Cu-4Al-2Si). Alle Zusammensetzungen hier sind in Gewichtsprozent angegeben. Die Zusammensetzungen dieser Kupferlegierungen sind generell in einem Bereich, in dem die Legierung aus Kupfer und von 0 bis 10% Aluminium und von 0 bis 6% Silicium besteht, vorausgesetzt dass die Prozentanteile von Aluminium und Silicium nicht gleichzeitig Null sind. Generell hat man herausgefunden, dass, wenn sowohl Aluminium als auch Silicium vorhanden sind, für optimale Leistung das Verhältnis von Aluminium zu Silicium größer als 1 : 1 sein sollte. Siehe M. D. Sanderson und J. C. Scully, "The High Temperature Oxidation of Some Oxidation Resistant Copper Alloys", Oxidation of Metals, Band 3, Nr. 1, Seiten 59 bis 90, 1971 für einen Überblick über oxidationsbeständige Kupferlegierungen.
Die Kupferbeschichtung kann durch Ionendampfabscheidung oder durch Kathodenstrahlabscheidung aufgebracht werden, um eine hohe Dichte sicherzustellen und dabei eine niedrige Teiltemperatur beizubehalten, um Diffusion und die anschließende Ausbildung von Intermetallverbindungen zu unterbinden. Kathodenstrahlabscheidung ist ein kostspieligeres Verfahren als Ionendampfabscheidung, erzeugt jedoch eine Beschichtung mit höherer Dichte mit besserer Anhaftung an dem Substrat als Ionendampfabscheidung, was zu einer größeren Oxidationsbeständigkeit führt. Außerdem ist die Kathodenstrahlabscheidung besser in der Lage, gleichförmige Beschichtungen von komplexen Legierungen auf unregelmäßigen Oberflächen abzuscheiden.
Die Erfindung umfasst ferner ein Verfahren zum Ausdehnen der Hochtemperatureigenschaften von Titan auf Temperaturen, bei denen Oxidation bisher ein beschränkender Faktor war. Beispielsweise erweitert eine Beschichtung gemäß der Erfindung, wenn sie auf eine nicht brennende Titanlegierung wie Ti-35V- 15Cr aufgebracht wird, den nutzbaren Bereich der Legierung bis etwa 676ºC (1250ºF).
Bestimmte bevorzugte Ausführungsformen werden nun nur beispielhaft und mit Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, für die gilt:
Fig. 1 ist eine Darstellung, welche die thermogravimetrische Analyse der verschiedenen Materialien bei 649ºC (1200ºF) zeigt und die Oxidationsbeständigkeit einer Titanlegierung, die in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung beschichtet ist, demonstriert.
Die Fig. 2 bis 8 sind grafische Darstellungen von axialen Ermüdungsergebnissen hoher Wiederholung.
Die vorliegende Erfindung betrifft das Aufbringen von Kupferbronzebeschichtungen, welche Aluminium, Silicium oder Beides beinhalten, auf Titanlegierungssubstrate, um die Hochtemperatur-Oxidationseigenschaften zu verbessern. Wenn die Bronze eine Kupfer-Aluminiumbronze ist, enthält die Legierung vorzugsweise von 4-10% Aluminium. Wenn die Beschichtung eine Kupfer- Siliciumbronze ist, enthält sie vorzugsweise 3-6% Silicium. Wenn die Legierung sowohl Aluminium als auch Silicium enthält, enthält sie vorzugsweise von 1-10% Aluminium und von 1-5% Silicium. Obwohl die Beschreibung speziell die Verwendung von Beta-Titanlegierungen betrifft, die mindestens 10% Chrom, mindestens 20% Vanadium und mindestens 40% Titan mit ausreichend Chrom, damit sie nicht brennbar ist, enthalten, wird davon ausgegangen, dass die Erfindung alle Titanlegierungen, die mit einer Kupfer-Aluminium-, Kupfer-Silicium- oder Kupfer-Aluminium-Siliciumbronze beschichtet sind, umfasst. Eine typische Titanlegierung, auf welche die Erfindung anwendbar ist, ist Titan - 35% Vanadium - 15% Chrom. Das bevorzugte Verfahren zum Aufbringen der Kupferbeschichtung ist die Kathodenbogen-Abscheidung oder alternativ Ionendampfabscheidung. Derartige Abscheideverfahren sind, bevorzugt, weil sie es zulassen, eine hohe Dichte der Beschichtung sicherzustellen, und dabei eine Erwärmung des Substrats auf eine hohe Temperatur nicht erforderlich ist, und so die Ausbildung und die Diffusion von Intermetallverbindungen in dem Substrat verhindern. Das bevorzugte Verfähren zum Aufbringen umfasst Kathodenbogen-Abscheidung, gefolgt durch Glaskugel-Kalthärten, um die Oberfläche zu glätten (was zu einer geringeren Gesamtoberfläche und verbesserter Oxidationsbeständigkeit führt).
Die Erfindung ist auf jedes Titanlegierungssubstrat anwendbar, sie ist jedoch besonders nützlich für Titanlegierungen mit Hochtemperatureigenschaften, beispielsweise die Beta-Titanlegierung, die in US-A-5 176 762 von Berczik beschrieben sind. Derartige Legierungen weisen die Betaphase von Titan bei allen Temperaturzuständen auf, haben Festigkeiten deutlich über früheren hochfesten Legierungen und haben exzellente Kriecheigenschaften. Außerdem sind derartige Legierungen unter Bedingungen, wie sie in Gasturbinenmaschinen-Verdichterabschnitten auftreten, nicht brennend. Derartige Beta-Titanlegierungen basieren auf ternären Verbindungen von Titan-Vanadium-Chrom, die in dem Titan-Vanadium-Chrom-Phasendiagramm auftreten, welches durch die Punkte Ti-22V-13Cr, Ti-22V-36Cr und Ti-40V-13Cr begrenzt ist. Derartige Legierungen haben eine Kriechfestigkeit, die die von kommerziellen Legierungen wie beispielsweise Ti-6-2-4-2 bei erhöhten Temperaturen überschreitet, und sie sind unter Bedingungen, wie sie typischerweise in Gasturbinenmaschinen-Verdichteranwendungen auftreten, nicht brennend. Eine Vielzahl von nicht schädigenden quaternären und höheren Legierungselementen kann der oben angegebenen Basiszusammensetzung zugegeben sein, um die Legierungseigenschaften zu modifizieren, ohne die Eigenschaften der hohen Kriechfestigkeit und der Nichtbrennbarkeit negativ zu beeinflussen.
Alternativ kann die Zusammensetzung derartiger Titanlegierungen beschrieben sein als eine Beta-Phasen-Titanlegierung, die im Wesentlichen frei von der Alphaphase und TiCr&sub2; ist, mehr als 10% Chrom, mehr als etwa 20% Vanadium und mehr als etwa 40% Titan enthält und an der Titan-reichen Seite der Wanne mit niedrigem Schmelzpunkt und an der Vanadium-reichen Seite der Beta- Beta plus Gamma-Phasen-Grenze liegt. Es sei angemerkt, dass kleinere Mengen an Alpha-Phasen-Titan und TiCr&sub2; in nicht schädigenden Mengen von etwa 3% toleriert werden können. Mehr als etwa 3% der Gamma (TiCr&sub2;)- oder. Alpha-Phase wären nachteilig für die mechanischen Eigenschaften der Legierung und insbesondere die Duktilität. Es ist auch wichtig, dass die Legierung mehr als etwa 10% Chrom enthält, da es sich herausgestellt hat, dass etwa 13% Chrom erforderlich ist, um die gewünschte Eigenschaft der Nichtbrennbarkeit zu liefern.
Es gibt Belege, dass Cobalt, Kupfer, Eisen, Mangan, Molybdän, Nickel, Silicium und Gallium die Erhöhung der Beständigkeit dieser Legierungen gegen Brennen unterstützen. Man glaubt, dass Bor, Beryllium, Chrom, Niob, Rhenium, Silicium, Zinn und Wismut das Potenzial besitzen, die Oxidationsbeständigkeit des Materials zu erhöhen. Bor, Beryllium, Kohlenstoff, Cobalt, Eisen, Mangan, Molybdän, Niob, Nickel, Sauerstoff, Silicium, Zinn, Tantal, Vanadium, Wolfram, Zirkonium, Gallium und Hafnium besitzen alle das Potenzial, die mechanischen Eigenschaften des Materials zu erhöhen. Insbesondere hat Kohlenstoff demonstriert, dass es die-Näch-Kriech-Duktilität der Legierung erhöht, ohne die Zug-Duktilität bei Raumtemperatur negativ zu beeinflussen. Derartige Zusammensetzungen können unter Verwendung konventioneller Titanmetallurgieverfahren hergestellt werden, wie beispielsweise Vakuum-Lichtbogen-Aufschmelz- und Schalenschmelzverfahren. Die Verwendung von Kohlenstoff für Metallkontaktierungsflächen, wie von Berczik in US-A-4 951 735 vorgeschlagen, ist besonders vorteilhaft.
Bevorzugte Legierungen, welche unter den Umfang der Legierungen wie vorangehend beschrieben fallen, beinhalten Ti-35V-15Cr, Ti-35V-15Cr-0,15C, Ti-35V-15Cr-0,625C, Ti-30Cr-0,625C, Ti-35V-15Cr-25i, Ti-33,5V- 15,5Cr-3,6Nb, Ti-25V-35Cr-5Al und Ti-35V-15Cr-0,5Hf-0,75C. Wie vorangehend angegeben und in dem bereits erwähnten US-Patent 5 176 762 ausgeführt, können die bevorzugten Beta-Phasenlegierungen, auf welche die vorliegende Erfindung besonders anwendbar ist, mehr als etwa 10% Chrom, mehr als etwa 20% Vanadium; bis zu 0,6% Bor, bis zu 4% Beryllium, bis zu 2,5% Kohlenstoff, bis zu 7% Cobalt, bis zu etwa 4% Eisen, bis zu etwa 7% Mangan, bis zu etwa 12% Molybdän, bis zu etwa 12% Niob, bis zu etwa 12% Nickel, bis zu etwa 0,3% Sauerstoff, bis zu etwa 1,5% Rhenium, bis zu etwa 2,5% Silicium, bis zu etwa 2,5% Zinn, bis zu etwa 1,5% Tantal, bis zu etwa 2,5% Wolfram, bis zu etwa 5% Zirkon, bis zu etwa 1,5% Wismut, bis zu etwa 2,5% Gallium und bis zu etwa 1,5% Hafnium mit dem Rest im Wesentlichen Titan in einer Menge von mindestens 40% aufweisen.
Die gemäß der vorliegenden Erfindung aufzubringende oxidationsbeständige Beschichtung beinhaltet eine Kupferbronze, vorzugsweise ausgewählt aus der Gruppe, welche aus Kupfer plus von etwa 4-10% Aluminium, Kupfer plus von etwa 3-6% Silicium, und Kupfer plus von etwa 1-10% Aluminium plus von etwa 1-5% Silicium besteht. Die Beschichtung kann mittels jedes Beschichtungsverfahrens aufgebracht werden, welches die Aufbringung einer vollständig dichten, gleichförmigen Beschichtungsschicht erlaubt und dabei die Temperatur des Substrats bei einer Temperatur unter etwa 649ºC (1200ºF) hält. Die bevorzugten Beschichtungsverfahren beinhalten Ionendampfabscheidung und Kathodenstrahlabscheidung. Auf diese Weise können komplexe Formen gleichförmig beschichtet werden und dabei die Ausbildung von Intermetallen und deren Diffusion in das Substrat minimiert sein. Andere Abscheideverfahren beinhalten Sputtern und physikalische Elektronenstrahldampfabscheidung, wobei diese Aufzählung nicht beschränkend ist. Kathodenstrahlabscheidung erzeugt eine völlig dichte Beschichtung. Die gewünschte Dicke der Beschichtung wird durch die Temperatur und die Expositionszeit für jede Anwendung eingestellt, generell sollte die Beschichtungsdicke jedoch zwischen 1,3 · 10&supmin;&sup5; m (0,5 mils) und 5,1 · 10&supmin;&sup5; m (2,0 mils) sein. Ein größerer Vorteil dieser Beschichtung gegenüber früheren Bemühungen, Titanlegierungen zu schützen, ist deren Fähigkeit, das Substrät gegen Oxidation zu schützen und dabei nur wenig oder keine Verringerung der Ermüdungslebensdauer bei häufigen Wiederholungen (high cycle fatigue life) zu verursachen. Das steht in direktem Gegensatz zu Aluminidbeschichtungen, welche Ermüdungslebensdauereinbußen von einigen Größenordnungen bewirken können. Eine mit dem Ionenabscheidungsverfahren abgeschiedene Beschichtung von Cu-8Al auf Titan - 35% Vanadium - 15% Chrom bewirkte keine Verringerung bei der Ermüdungslebensdauer bei Raumtemperatur und nur eine Verringerung von 7% in der Lebensdauer bei 538ºC (1000ºF).

BEISPIEL T

Proben eines Substrats aufweisend die Titanlegierung Ti-35V-15Cr wurden mit einer Bronze, aufweisend Cu-8Al durch Ionendampfabscheidung und durch Kathodenbogenabscheidung abgeschieden. Für die Ionendampfabscheidung wurde die Kammer auf weniger als 1,33 · 10&supmin;³ Pa (1 · 10&supmin;&sup5; Torr) evakuiert und auf 5 · 10&supmin;&sup6; m (5 microns) bis 2 · 10&supmin;&sup5; m (20 microns) mit hochreinem Argongas wieder gefüllt. Cu-8Al-Draht wurde in die Schmelztiegel gebracht. Die zu beschichtenden Teile wurden über diesen Schmelztiegeln aufgehängt und wurden auf ein Potenzial von zwischen -1000 und -2000 Volt Gleichstrom gebracht. Der Cu-8Al-Dampf hatte eine Ionisierung von etwa 0,5-2%. Das führte zu einer säulenförmigen Struktur in der Beschichtung. Die Beschichtung wurde dann mit einer 1,27 k 10&supmin;³ m (50 mil) Glaskugel-Aufschlämmung bei 207 KPa (30 psi) gehämmert (peening), bis ein glänzendes Oberflächenfinish erzielt war. Für die Kathoden-Lichtbogen-Abscheidung wurde die Kammer auf einen Druck von weniger als 1,33 · 10&supmin;³ Pa (1 · 10&supmin;&sup5; Torr) evakuiert und auf 5 · 10&supmin;&sup6; m (5 microns) bis 2 · 10&supmin;&sup5; m (20 microns) mit hochreinem Argorigas wieder aufgefüllt. Das Cu-8Al wurde von massiven Plattenkathoden unter Verwendung eines elektrischen Lichtbogens bei niedriger Spannung und hohem Strom verdampft. Das führte zu einem Dampf, der zu 75 bis 95% ionisiert war. Die Teile wurden auf 5-100 Volt gebracht. Die hoch ionisierte Eigenschaft des Dampfes und die hohe mittlere Energie der ankommenden Atome (50-100 Ev) erzeugten eine völlig dichte und sehr anhaftende Beschichtung. Die Struktur der Beschichtung war in der Form feiner equiaxialer Körner, und sie hatte ein Oberflächenfinish ähnlich zu dem der originalen Oberfläche. Die Oxidationsbeständigkeit dieser Beschichtung war der des gleichen Materials, das nach dem Ionenabscheidungsverfahren abgeschieden wurde und gehämmert wurde, überlegen. Sie wurde noch weiter verbessert durch leichtes Hämmern der Beschichtung mit einer 1,27 · 10&supmin;³ m (50 Mil) Glaskugel-Aufschlämmung bei 207 kPa (30 psi), bis ein glänzendes Oberflächenfinish erzielt wurde.
Fig. 1 zeigt die vorliegende Erfindung, indem sie den Gewichtszuwachs von verschiedenen Substraten unter Oxidationsbedingungen bei 649ºC (1200ºF) über der Zeit zeigt. Die Darstellung zeigt deutlich die relativ schnelle Oxidation einer ungeschützten Ti-35V-15Cr-Legierung. Das lässt sich leicht mit der Oxidationsrate von massivem Cu-8Al und für die gleiche Legierung, beschichtet mit Cu-8Al entweder durch Ionendampfabscheidung oder durch das bevorzugte Verfahren der Kathoden-Lichtbogen-Abscheidung, gefolgt durch Glaskugel-Hämmern, vergleichen.

BEISPIEL 2

Hochtemperatur-Oxidationstests würden an einer Anzahl von Titanlegierungssubstraten sowohl unbeschichtet als auch beschichtet gemäß der vorliegenden Erfindung durchgeführt. Die Schalendicke über entweder der unbeschichteten Titanlegierungssubstratoberfläche oder der Beschichtungsoberfläche wurde gemessen als ein Zeichen des Maßes der auftretenden Oxidation. Außerdem wurde die "betroffene Zone" gemessen als ein Maß entweder der Verarmung des Oberflächentitans in den unbeschichteten Legierungsproben oder der Diffusionstiefe der Beschichtung in die Oberflächenzone der beschichteten Proben. Alle Messwerte waren in Mit. Die Ergebnisse dieser Tests sind in Tabelle I angegeben, wobei Legierung 1 Ti-35V-15Cr aufweist, Legierung 2 Ti-6Al-4Sn-3,5Zr-0,7Nb-0,5Mo-0,35Si aufweist und Legierung 3 Ti-15Mo-2,7Nb-3Al-0,2Si-0,150 aufweist. TABELLE I
Aus der Tabelle 1 kann man leicht erkennen, dass die Oxidation von Legierung 1, Ti-35V-15Cr, durch Beschichtungen von Cu-8Al, Cu-4Si, und Cu-4Al- 3Si deutlich verringert ist. Diese vorteilhafte Oxidationsbeständigkeit ist auch sowohl in Legierung 2, beschichtet mit Cu-4Al-3Si, und Legierung 3, beschichtet mit Cu-8Al, evident. Man kann auch erkennen, dass die beschichteten Proben von Legierung 1 weniger Anteil einer betroffenen Zone zeigen als die unbeschichteten Proben. Von den Beschichtungsmaterialien, welche auf die Legierung 1 aufgebracht wurden, scheint die Cu-8Al-Beschichtung die größte betroffene Zone zu haben.

BEISPIEL 3

Ermüdungstests hoher Wiederholungen von Ti-35V-15Cr-Proben wurden mit verschiedenen Beschichtungsaufbringungen durchgeführt. Glatte Proben wurden axial an Last-kontrollierten, servohydraulischen Ermüdungstestmaschinen getestet, und sie wurden bis zum Versagen oder bis zu 10 Millionen Zyklen (10&sup7; cycles) durchgeführt. Alle Tests wurden mit einem Spannungsverhältnis (R) von 0,05 durchgeführt. Die Substrate, die sowohl für die beschichteten als auch für die unbeschichteten Proben verwendet wurden, waren identisch. Die Ergebnisse dieser Tests sind in den Tabellen II und III angegeben, wobei sich Tabelle II auf Tests bei Raumtemperatur bezieht und Tabelle III sich auf Hochtemperaturtests bezieht. Die WC/Co-Beschichtung weist eine Matrix aus Cobalt mit Wolframcarbid-Teilchen auf, die mit einer Detonationskanone 4-6 Mil dick aufgebracht ist. Die Cu-8Al-Beschichtungen wurden durch Ionendampfabscheidung 2,54 · 10&supmin;&sup4; m (1 Mil) bis 3,81 · 10&supmin;&sup5; m (1,5 Mil) dick aufgebracht. TABELLE II TABELLE III
Wie man bei der Untersuchung der Daten erkennen kann, führt die Verwendung der Cu-8Al-Beschichtungen gemäß dar vorliegenden Erfindung zu wenig oder keiner Einbuße bei der Ermüdungsfestigkeit, verglichen mit der mittels der Detonationskanone aufgebrachten Beschichtung. Diese Ergebnisse sind in den Fig. 2-8 auch in grafischer Form dargestellt.
Obwohl die Erfindung mit Bezugnahme auf detaillierte und bevorzugte Ausführungsformen davon gezeigt und beschrieben wurde, wird der Fachmann verstehen, dass verschiedene Änderungen und Modifikationen darin vorgenommen werden können, ohne von dem Umfang der beanspruchten Erfindung abzuweichen.

Claims

1. Verfahren zum Verbessern der Oxidationsbeständigkeit eines Ti-Legierungssubstrats, aufweisend den Schritt des Aufbringens einer gleichförmigen Beschichtung aus einer Cu Legierung auf das Substrat bei einer Substrattemperatur von unter 649ºC (1200ºF), um eine Diffusion von Beschichtungsbestandteilen in das Substrat und eine anschließende Ausbildung von Intermetallverbindungen in dem Substrat zu verhindern, wobei die Cu Legierung aufweist: Cu und von 0 bis 10 Gewichtsprozent (Gew.-%) Al und von 0 bis 6 Gew.-% Si, wobei die Prozentsätze von Al und Si nicht gleichzeitig Null sind.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Ti Legierung aufweist: Ti, V, und Cr und eine Zusammensetzung besitzt, die in einen Bereich im Ti-V-Cr Phasendiagramm fällt, der von den Punkten Ti-22V-13Cr, Ti-22V-36Cr und Ti-40V-13Cr begrenzt ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Ti Legierung eine Nominalzusammensetzung von Ti-35V-15Cr, Ti-35V-15Cr-0,15C, Ti-35V-15Cr- 0,625C, Ti-35V-15Cr-2Si, Ti-33,5V-15,5Cr-3,6Nb, Ti-25V-35Cr-5Al oder Ti-35V-15Cr-0,5Hf-0,75C hat.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 3, wobei die Ti Legierung ferner aufweist: bis zu 0,6 Gew.-% B, bis zu 4 Gew.-% Be, bis zu 2,5 Gew.-% C, bis zu 7 Gew.-% Co, bis zu 4 Gew.-% Fe, bis zu 7 Gew.-% Mn, bis zu 12 Gew.-% Mb, bis zu 12 Gew.-% Nb, bis zu 12 Gew.-% Ni, bis zu 0,3 Gew.-% O, bis zu 1,5 Gew.-% Re, bis zu 2,5 Gew.-% Si, bis zu 2,5 Gew.-% Sri, bis zu 1,5 Gew.-% Ta, bis zu 2,5 Gew.-% W, bis zu 5 Gew.-% Zr, bis zu 1,5 Gew.-% Bi, bis zu 2,5 Gew.-% Ga und bis zu 1,5 Gew.-% Hf.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Cu-Legierung aus der Gruppe gewählt ist, die besteht aus Cu plus von 4 bis 10 Gew.-% Al, Cu plus von 3 bis 6 Gew.-% Si und Cu plus von 1 bis 10 Gew.-% Al plus von 1 bis 5 Gew.-% Si.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Gu-Legierung eine Nominalzusammensetzung von Cu-8Al, Cu-4Si, Cu-4Al-3Si, Cu-3Al- 2Si, Cu-7Al-3,5Si oder Cu-4Al-2Si hat.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Beschichtung durch Ionendampfabscheidung oder Kathodenstrahlabscheidung aufgebracht wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, ferner aufweisend den Schritt des Hämmerns (peening) der aufgebrachten Beschichtung.