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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein gesehen auf ein Verfahren
zur Steuerung der endgültigen
Beschichtungsdicke von einer diffundierten Aluminidbeschichtung
auf einem auf Nickel oder Kobalt basierenden Superlegierungssubstrat.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Auf
dem industriellen Gebiet der Gasturbinenantriebe besteht ein Bedarf
an verbesserten korrosionsfesten und oxidationsbeständigen Schutzbeschichtungen
für Superlegierungskomponenten,
die auf Nickel und Kobalt beruhen, wie etwa Turbinenschaufeln und
Flügelradschaufeln,
und die in dem Turbinenbereich des Gasturbinenantriebes zum Einsatz
gebracht werden. Die Verwendung von widerstandsfähigeren Superlegierungen, die
häufig
eine geringere Korrosionsfestigkeit in der Hitze aufweisen, der
Wunsch nach dem Einsatz von Brennstoffen eines niedrigeren Qualitätsgrades,
die Auflage einer längeren
Lebensdauer der Komponenten, welche die Zeitspanne zwischen den Überholungen
verlängern
wird, sowie die höheren
Betriebstemperaturen, die bereits gegeben sind oder die für eine modernisierte
Abart oder für
neue Gasturbinenantriebe vorgeschlagen werden, unterstreichen diesen
fortdauernden Bedarf.
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Diffundierte
Aluminidbeschichtungen sind verwendet worden, um Komponenten aus
Superlegierungen in dem Turbinenteil von Gasturbinenantrieben zu
schützen.
In einem typischen Beispiel wird eine Aluminidbeschichtung gebildet
indem man auf elektrophoretische Weise ein auf Aluminium beruhendes
Pulver auf ein Superlegierungssubstrat aufträgt und dasselbe erhitzt, um
das Aluminium in das Substrat hinein zu diffundieren. Chrom wird
verwendet, um die Aluminiumaktivität des Pulvers zu steuern. Solche
Beschichtungen können
Chrom oder Mangan enthalten, um die Korrosions-/Oxidationsfestigkeit
derselben in der Hitze zu erhöhen.
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Es
ist bekannt, die Korrosions-/Oxidationsfestigkeit in der Hitze von
einfachen diffundierten Aluminidbeschichtungen durch das Einbinden
eines Edelmetalls, insbesondere von Platin in dieselben zu verbessern. Solche
mit Platin angereicherten diffundierte Aluminidbeschichtungen werden
jetzt kommerziell auf Superlegierungskomponenten aufgetragen, indem
man zuerst durch Elektroplattieren einen dünnen Film aus Platin auf ein
sorgfältig
gereinigtes Superlegierungssubstrat aufträgt, eine aktivierte Aluminium
enthaltende Beschichtung auf die elektroplattierte Platinbeschichtung
drauf abscheidet und indem man dann das beschichtete Substrat bei
einer Temperatur und während
einer Zeitdauer erwärmt,
welche ausreichend sind, um die mit Platin angereicherte Diffusionsaluminidbeschichtung
auf dem Superlegierungssubstrat herzustellen. Wahlweise kann das
Platin entweder vor oder nach dem Auftragen des Aluminiums in das
Substrat diffundiert werden. Siehe dazu z. B.: "Platinum Modified Aluminids – Present
Status", J. S. Smith,
D. H. Bonne (1990). Das Platin bildet ein Aluminid von PtAl2 und bleibt in der Richtung auf die äußeren Oberflächenbereiche
der Beschichtung hin konzentriert.
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Es
ist auch bekannt, die Korrosions-/Oxidationsfestigkeit in der Hitze
von Diffusionsaluminidbeschichtungen durch ein Legieren der Beschichtung
mit Silizium zu verbessern. Das
U.S.
Patent No. 5057196 von Creech et al. offenbart insbesondere
eine Platin-Silizium Beschichtung, die elektrophoretisch auf ein
Superlegierungssubstrat aus Nickel oder Kobalt abgelagert wird.
Das abgelagerte Pulver wird erhitzt, um eine flüssige Übergangsphase auf dem Substrat
zu bilden und um eine Diffusion von Pt und Si in das Substrat zu
initiieren. Ein Pulver aus Aluminium-Chrom wird dann elektrophoretisch
auf das mit Pt-Si angereicherte Substrat abgelagert und durch Wärme auf
Diffusion hin behandelt, um eine korrosions-/oxidationsbeständige, mit
Pt-Si angereicherte Diffusionsaluminidbeschichtung auf dem Substrat
herzustellen. Die Anwesenheit sowohl von Pt als auch von Si in der
Aluminidbeschichtung verbessert in unerwarteter Weise die Duktilität der Beschichtung
im Vergleich zu einer mit Pt-Si angereicherten Diffusionsaluminidbeschichtung
ohne Si auf dem gleichen Substratmaterial.
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Als
ein weiterer Hintergrund ist es bekannt, dass die Fähigkeit,
ein leitfähiges
Substrat auf elektrophoretische Weise zu beschichten, von einem
elektrophoretisch aktiven Stoff wie etwa von einem Zein/Kobalt-Nitratkomplex
in dem Bad abhängt,
um eine Wanderung bzw. Migration der Partikel in Richtung hin auf
das Substrat zu erzeugen. Um Beschichtungspartikel aus der Badsuspension
in das Substrat zu übertragen,
muss der Zeinkomplex die Beschichtungspartikel befeuchten. Aufgrund
dieser Benetzung kann fast jede Partikelverbindung (elementare Pulver,
Metalllegierungen oder keramische Verbindungen) elektrophoretisch
abgelagert werden.
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Eine
typische Badzusammensetzung enthält
20-30 Gramm/Liter an Feststoffen und 2-3 Gramm/Liter von dem löslichen
Zeinkomplex. Typischerweise wird die Beschichtung abgelagert unter
Einsatz von Gleichstrom bei einer Stromdichte von 1-2 mλ/cm2 und einer Spannung, wie sie zur Bewegung
des Stroms notwendige ist.
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Die
Ablagerung der grünen
Beschichtung wird mit dem Verlaufe der Zeit selbstegalisierend,
weil in dem Moment wo die Beschichtungsdicke erst einmal einen bestimmten
Schwellenwert erreicht hat, die Ablagerungsgeschwindigkeit sich
dem Wert Null nähert.
Vorausgesetzt, diese grüne
Beschichtungsdicke erzeugt die gewünschte diffundierte Beschichtungsdicke
für eine
bestimmte Kombination Substrat/Beschichtung, dann wird die endgültige Beschichtungsdicke
durch eine Diffusion gesteuert. Beschichtungssysteme mit einer Diffusionssteuerung
sind in idealer Weise geeignet für
komplexe Teilegeometrien.
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In
den Fällen,
wo das abgelagerte Beschichtungsgewicht jenseits der gewünschten
Masse pro Flächeneinheit
liegt, wird ein Weg erforderlich sein, um die endgültige Beschichtungsdicke
zu steuern. Das einfachste Verfahren hierzu besteht darin, das aufgetragene
Gewicht durch ein Verkürzen
des Ablagerungszyklus zu steuern. Bei diesem Verfahren wird die
Diffusionsbeschichtungsdicke durch die Menge des auf dem Teil abgelagerten
Materials bestimmt. Dieses Verfahren ist nicht immer zufrieden stellend
für ein
Beschichten von Teilen mit einer komplexen Form, weil Flächen mit
lokal hohen Stromdichten zu hohen lokalen, grünen Beschichtungsgewichten
führen,
wohingegen Flächen
mit lokal niedrigerer Stromdichte zu niedrigeren lokalen, grünen Beschichtungsgewichten
führen.
Diese ungleichmäßigen grünen Beschichtungsgewichte
erzeugen eine ungleichmäßige diffundierte
Beschichtungsdicke.
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Zu
anderen möglichen
Variablen, bei denen es zu einer verbesserten Gleichmäßigkeit
der aufgetragenen, grünen
Beschichtung kommt, zählen
die Faktoren: 1) Gestalt der Anode, 2) Entfernung der Anode zu dem Teilestück und 3)
Flächenverhältnis Anode/Kathode.
Die Erfahrung hat jedoch gezeigt, dass die Einsatz dieser Faktoren
begrenzt ist, wenn eine dünne,
gleichmäßige, grüne Beschichtung
gewünscht
ist. Die Zeitspanne, die erfordert ist, um eine dünne Beschichtung
zu erzeugen, ist nicht ausgedehnt genug auf dass diese Parameter
wirksam sein könnten.
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Als
eine Alternative zu diesen Verfahren nach dem Stand der Technik
liefert die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Steuerung der
Beschichtungsdicke, das auf dem Diffusionsfluss des Beschichtungsmaterials beruht.
Bei diesem Verfahren wird eine ausreichend hohe Menge an Beschichtung
aufgetragen und die Diffusionszeit sowie die Temperatur bestimmen
die endgültige
Beschichtungsdicke, wobei der Rest des nicht diffundierten aufgetragenen
Materials durch ein einfaches Sandstrahlen entfernt wird. Für einfache
Aluminidbeschichtungen (z. B.
U.S.
Patent No. 3748110 ) ist die Zusammensetzung der Beschichtung
derart, dass die endgültige
Diffusionsbeschichtungsdicke nahezu unabhängig von der aufgetragenen
Beschichtungsdicke ist und die Diffusionssteuerung arbeitet sehr
gut. Für
Teile mit komplexen Geometrien weisen sowohl die Flächen mit
einer lokal höheren
Stromdichte als auch jene Teile mit einer niedrigeren Stromdichte
nahezu dieselbe Diffusionsbeschichtungsdicke auf, vorausgesetzt
ein Schwellenwert eines grünen
Beschichtungsgewichtes von etwa 15 mg/cm
2 wird
aufgetragen. Eine durch eine Diffusion begrenzte Beschichtungsdicke
ist daher ein bevorzugtes Verfahren zur Steuerung der endgültigen Beschichtungsdicke,
weil die Diffusionsbedingungen leichter gesteuert werden können als
ein grünes
Beschichtungsgewicht für
komplexe Formen.
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Dementsprechend
passt die vorliegende Erfindung die gegenwärtige Patenttechnologie (z.
B. die in dem
U.S. Patent No.
5057196 offenbarte Technologie) an und modifiziert sie,
um den Schritt der (Pt-Si) Auftragung eher zu einem Schritt der
Diffusionssteuerung als zu einem solchen der Steuerung des grünen Beschichtungsgewichtes
zu machen.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Gemäß einem
ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur
Steuerung der endgültigen
Beschichtungsdicke einer Diffusionsaluminidbeschichtung auf einem
Metallsubstrat geliefert, wobei das Verfahren umfasst:
- (a) ein Ablagern auf ein Metallsubstrat von einer Beschichtung
aus einem Platin-Siliziumpulver;
- (b) ein Ausüben
einer Wärmebehandlung
auf das beschichtete Substrat, um das Platin-Siliziumpulver in das Substrat hinein
zu diffundieren;
- (c) ein Entfernen eines nicht diffundierten Belages, um eine
diffundierte, mit Pt-Si angereicherte Beschichtung auf dem Substrat
zurückzulassen;
- (d) ein Ablagern einer Beschichtung aus einem Aluminium enthaltenden
Pulver auf das mit Platin und Silizium angereicherte Substrat;
- (e) ein Ausüben
einer Wärmebehandlung
auf das beschichtete Substrat, um das Aluminium enthaltende Pulver
in das Substrat hinein zu diffundieren; und
- (f) ein Entfernen eines nicht diffundierten Belages, um eine
diffundierte durch Pt modifizierte Aluminidbeschichtung auf dem
Substrat zurückzulassen;
wobei
die Pt-Si Ablagerung durchgeführt
wird unter Verwendung eines Pt-Si Pulvers, welches von 7 Gewichtsprozent
bis zu 20 Gewichtsprozent Aluminiumoxid enthält.
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Gemäß einem
zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur
Steuerung der endgültigen
Beschichtungsdicke einer Diffusionsaluminidbeschichtung auf einem
Metallsubstrat geliefert, wobei das Verfahren umfasst:
- (a) ein Ablagern auf ein Metallsubstrat von einer Beschichtung
aus einem Palladium-Siliziumpulver;
- (b) ein Ausüben
einer Wärmebehandlung
auf das beschichtete Substrat, um das Palladium-Siliziumpulver in das Substrat hinein
zu diffundieren;
- (c) ein Entfernen eines nicht diffundierten Belages, um eine
diffundierte, mit Pd-Si angereicherte Beschichtung auf dem Substrat
zurückzulassen;
- (d) ein Ablagern einer Beschichtung aus einem Aluminium enthaltenden
Pulver auf das mit Palladium und Silizium angereicherte Substrat;
- (e) ein Ausüben
einer Wärmebehandlung
auf das beschichtete Substrat, um das Aluminium enthaltende Pulver
in das Substrat hinein zu diffundieren; und
- (f) ein Entfernen eines nicht diffundierten Belages, um eine
diffundierte, durch Pd modifizierte Aluminidbeschichtung auf dem
Substrat zurückzulassen;
wobei
die Pd-Si Ablagerung durchgeführt
wird unter Verwendung eines Pd-Si Pulvers, welches von 7 Gewichtsprozent
bis zu 20 Gewichtsprozent eines Aluminiumoxids enthält.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine Turbinenschaufel mit einem Körper aus einer Superlegierung
und aus einer mit Platin-Silizium angereicherten diffundierten Aluminidbeschichtung
gemäß einer
bevorzugten Ausführung
der vorliegenden Erfindung.
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2 zeigt
die normale Beschichtungsmikrostruktur der PtAl Beschichtung auf
IN738 nach dem bisherigen Stand der Technik.
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3 zeigt
das Zusammensetzungsprofil einer PtAl Beschichtung nach dem bisherigen
Stand der Technik.
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4 zeigt
die nicht geätzte
Mikrostruktur für
eine PtAl Beschichtung nach dem bisherigen Stand der Technik, welche
die in Beschichtung vorhandene Porosität zeigt.
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5 zeigt
die Verteilung der Partikelgröße des in
den Dotierungsexperimenten verwendeten Aluminiumoxids.
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6 ist
eine Graphik, welche die Wirkung der Dotierung mit Aluminiumoxid
zeigt, dies bei Niveaus von 0% bis 20% für Aluminiumoxid mit einer Partikelgrößenverteilung
wie sie in 5 gezeigt wird
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7 zeigt
die erfindungsgemäße PtAl
Beschichtungsmikrostruktur für
die Probe G797 der Tabelle 1.
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8 (8A-B)
zeigt typische Querschnitte der getesteten Stifte.
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9 (9A-B)
zeigt eine erfindungsgemäße PtAl
Beschichtung im diffundierten Zustand, welche aus dem Bad G mit
7 Gewichtsprozent Aluminiumoxid hergestellt worden ist, und dieselbe
Beschichtung nach einem 24 Stunden dauernden Aussetzen bei 2150°F an der
Luft.
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10 (10A-B)
zeigt die erfindungsgemäße Beschichtung
im diffundierten Zustand, welche aus dem Bad H stammt und dieselbe
Beschichtung nach einem 24 Stunden dauernden Aussetzen an der Luft.
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11 zeigt
die XEDA Ergebnisse einer Analyse der Beschichtungszusammensetzung
mit Hilfe einer Mikrosonde für
die erfindungsgemäße Beschichtung.
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12 zeigt
die Gewichtsveränderungen,
die blanke und beschichtete IN738 Proben während des Testens bei 2000°F erfahren.
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13 (13A-C)
zeigt einen Vergleich der PtAl Beschichtungen nach dem bisherigen
Stand der Technik (13B) und der erfindungsgemäßen PtAl
Beschichtungen (13C) im Vergleich mit einfachen Aluminidbeschichtungen
(13A) auf IN738 nach einer 500 Stunden dauernden
heißen
Korrosionsaussetzung.
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14 (14A-C)
zeigt einen Vergleich der PtAl Beschichtungen nach dem bisherigen
Stand der Technik (14B) und der erfindungsgemäßen PtAl
Beschichtungen (14C) im Vergleich mit einfachen Aluminidbeschichtungen
(14A) auf IN738 nach einer 1000 Stunden dauernden
heißen
Korrosionsaussetzung.
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15 ist
eine grafische Chartdarstellung der Testergebnisse der heißen Korrosion,
welche die Zeit bis zum sichtbaren Versagen der Beschichtung bei
1650°F zeigt.
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16 ist
eine grafische Chartdarstellung der Testergebnisse der heißen Korrosion
nach 1000 Stunden bei 1650°F.
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17 (17A-B)
zeigt einen repräsentativen
Angriff für
eine jede der PtAl Beschichtungen (17A zeigt
die PtAl Beschichtung nach dem bisherigen Stand der Technik und 17B zeigt die erfindungsgemäße PtAl Beschichtung) auf IN738.
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BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN
AUSFÜHRUNG
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Zum
Zweck der Förderung
eines Verständnisses
der Grundsätze
dieser Erfindung wird jetzt Bezug genommen werden auf bevorzugte
Ausführungen
und dabei wird eine spezifische Sprache verwendet werden, um dieselben
zu beschreiben. Nichtsdestotrotz wird es wohl verstanden sein, dass
dadurch keine Begrenzung des Umfangs der Erfindung beabsichtigt
ist, und dass Änderungen
und weitere Modifikationen an dem beschriebenen Gegenstand sowie
weitere Anwendungen der Grundsätze
der Erfindung, wie sie darin illustriert worden sind, als solche
zu betrachten sind, die einem Experten auf dem Gebiet, dem die Erfindung
zuzuordnen ist, normalerweise einfallen.
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Die
vorliegende Erfindung liefert ein Verfahren zur Steuerung der Dicke
der mit Pt-Si angereicherten Schicht und schließlich der Mikrostruktur der
durch Pt-Si modifizierten Aluminidbeschichtung auf den Superlegierungen,
die auf Nickel und Kobalt basieren. Die mit Pt-Si angereicherte
Diffusionsschichtdicke wird gesteuert, indem man ein inertes Teilchenmaterial
wie etwa Aluminiumoxid zu dem Pt-Si Elektrophoresebad hinzufügt. Die
Aluminiumoxidpartikel werden in der grünen Beschichtung eingeschlossen
und behindern eine Diffusion der Pt-Si enthaltenden Übergangsflüssigphase.
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Allgemein
gesehen umfasst das Verfahren die folgenden Schritte:
- (a) ein Ablagern auf ein Metallsubstrat von einer Beschichtung
aus einem Platin-Siliziumpulver;
- (b) ein Ausüben
einer Wärmebehandlung
auf das beschichtete Substrat, um das Platin-Siliziumpulver in das Substrat hinein
zu diffundieren;
- (c) ein Entfernen eines nicht diffundierten Belages, um eine
diffundierte, mit Pt-Si angereicherte Beschichtung auf dem Substrat
zurückzulassen;
- (d) ein Ablagern einer Beschichtung aus einem Aluminium enthaltenden
Pulver auf das mit Platin und Silizium angereicherte Substrat;
- (e) ein Ausüben
einer Wärmebehandlung
auf das beschichtete Substrat, um das Aluminium enthaltende Pulver
in das Substrat hinein zu diffundieren; und
- (f) ein Entfernen eines nicht diffundierten Belages, um eine
diffundierte durch Pt modifizierte Aluminidbeschichtung auf dem
Substrat zurückzulassen;
wobei
die Pt-Si Ablagerung durchgeführt
wird unter Verwendung eines Pt-Si Pulvers, welches von 5 Gewichtsprozent
bis zu 20 Gewichtsprozent eines inerten Teilchenmaterials wie etwa
Aluminiumoxid enthält.
Die Ablagerungsschritte können
unter Verwendung einer elektrophoretischen oder einer Schlammablagerung
usw. durchgeführt
werden. Die elektrophoretische Ablagerung wird am stärksten bevorzugt
und sie wird in dem folgenden Text und in den folgenden Beispielen
beschrieben werden.
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Die
vorliegende Erfindung zieht ebenfalls einen gegen Korrosion und
Oxidation in der Hitze beständigen
Artikel in Betracht, welcher ein Substrat aus einer Superlegierung
mit Nickel oder Kobalt sowie eine mit Platin und Silizium angereicherte
Diffusionsaluminidbeschichtung umfasst, welche auf demselben erzeugt worden
ist, und welche eine verbesserte Gleichmäßigkeit der Beschichtung sowie
eine verringerte Zerknitterung, ohne einen Verlust bei den Eigenschaften
der Korrosions- und Oxidationsbeständigkeit, aufweist.
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Das
hier vorliegende Beschichtungsverfahren ist besonders geeignet für Gusserzeugnisse
aus Superlegierungen auf Nickel- und Kobaltbasis wie z. B. für diejenige
Art, die verwendet wird, um Turbinenschaufeln und Flügelradschaufeln
für den
Turbinenabschnitt in einem Gasturbinenantrieb herzustellen. Die 1 illustriert
zum Beispiel eine Turbinenschaufel 10, die zu einem Körperteil
aus einer auf Nickel oder Kobalt beruhenden Superlegierung 12 geformt
wurde und mit einer mittels Platin-Silizium angereicherten Diffusionsaluminidbeschichtungslage 14 versehen
ist, so wie dies in dieser Spezifikation beschrieben worden ist.
Zum Zwecke der Illustration ist die Dicke der Beschichtungslage 14 in
der 1 übertrieben,
wobei die tatsächliche
Dicke in der Größenordnung
einiger Tausendstel Zoll liegt. Es ist gewöhnlich nicht notwendig den
Befestigungsteil 16 der Schaufel 10 ebenfalls
mit dem hier zur Diskussion stehenden angereicherten Korrosions/Oxidations-Beschichtungsschutzbelag
auszustatten.
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Das
Verfahren gemäß der vorliegenden
Erfindung umfasst das Herstellen einer abgeänderten Diffusionsaluminidbeschichtung,
welche Platin und Silizium auf Substraten aus Superlegierungen auf Nickel-
oder Kobaltbasis enthält,
dies durch ein aufeinander folgendes, zweistufiges elektrophoretisches
Ablagerungsverfahren mit einem inerten Partikelmaterial wie etwa
Aluminiumoxid, das in dem ersten elektrophoretischen Bad enthalten
ist, um die Diffusion von Pt-Si in das beschichtete Substrat hinein
zu steuern. Die anderen Aspekte des zweistufigen elektrophoretischen
Ablagerungsverfahrens (d. h. ein Diffusionswärmebehandlungsschritt, der
auf einen jeden elektrophoretischen Ablagerungsschritt folgt) sind
im Allgemeinen so wie dies in dem früherem
U.S. Patent Nr. 5057196 des Anmelders
offenbart worden ist.
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Genau
wie die '196 Erfindung
ist das Verfahren gemäß der vorliegenden
Erfindung besonders nützlich bei
dem Auftragen von in der Hitze korrosions-/oxidationsbeständigen,
mit Platin und Silizium angereicherten Diffusionsaluminidbeschichtungen,
die den betroffenen Komponenten eine erhöhte Beschichtungsduktilität und Gleichmäßigkeit
verleihen, etwa den Turbinenschaufeln und Flügelradschaufeln für den Einsatz
in dem Turbinenabschnitt von Gasturbinenantriebe. 1 zeigt
eine typische Turbinenschaufel, die entsprechend der vorliegenden
Erfindung beschichtet werden kann.
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Bei
einer bevorzugten Ausführung
der Erfindung werden Platin und Silizium in der Form eines Legierungspulvers
auf die Oberfläche
eines auf Nickel- oder Kobalt basierenden Superlegierungssubstrats
(z. B. auf Nickel basierende Superlegierungen wie etwa IN738, IN792,
Mar-M246, Mar-M247 usw., Einkristall-Nickellegierungen wie etwa
CMSX-3 oder CMSX-4, und Superlegierungen auf Kobaltbasis wie etwa
Mar-M509, X-40 usw., welche einem jeden Experten auf diesem Gebiet
bekannt sind) durch einen ersten elektrophoretischen Ablagerungsschritt
aufgetragen. Das Legierungspulver wird dadurch hergestellt, dass
man fein zerteiltes Platinpulver mit Siliziumpulver von (1) einer
Teilchengröße von ungefähr einem
Mikrometer vermischt, die gemischten Pulver zu einem Pellet zusammenpresst
und das Pellet in einer Argonatmosphäre oder in einer anderen geeigneten
Schutzatmosphäre über eine
stufenweise Wärmebehandlung
sintert. Eine solche Wärmebehandlung
umfasst ein Sickernlassen (Sintern) des Pellets (1) bei 1400°F während einer
Zeitdauer von 30 Minuten, (2) bei 1500°F während einer Zeitdauer von 10
Minuten, (3) bei 1525°F
während
einer Zeitdauer von 30 Minuten, (4) bei 1800°F während einer Zeitdauer von 15
Minuten und dann (5) bei 1900°F
während
einer Zeitdauer von 30 Minuten. Das gesinterte Pellet wird auf eine
annähernde –325 Maschengröße zerkleinert,
indem man dasselbe in einem Stahlzylinder mit einem Stampfer pulverisiert
und dann das pulverisierte Partikelmaterial in einer Kugelmahlen
in einem Medium (60 Gewichtsprozent Isopropanol und 40 Gewichtsprozent
Nitromethan) während
einer Zeitdauer von 12 bis 30 Stunden unter einer inerten Argonatmosphäre behandelt, um
ein Platin-Siliziumlegierungspulver
typischerweise in dem Partikelgrößenbereich
von 1 bis 10 Mikrometer herzustellen. Solch ein Legierungspulver
kann auch durch andere geeignete Verfahren hergestellt werden, die nach
dem Stand der Technik bekannt sind, wie etwa durch eine Gaszerstäubung.
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Silizium
ist in dem Legierungspulver in einer Menge von ungefähr 3 Prozent
bis ungefähr
50 Gewichtsprozent enthalten, wobei der Rest im Wesentlichen am
Platin besteht. Ein Siliziumgehalt von weniger als ungefähr 3 Gewichtsprozent
ist unzulänglich,
um eine angemessene Menge einer Übergangsflüssigphase
bei der nachfolgenden Diffusionswärmebehandlung zu liefern, wohingegen
ein Siliziumgehalt von mehr als ungefähr 50 Gewichtsprozent eine übertriebene Übergangsflüssigphase
liefert, die durch eine ungleichmäßige Bedeckung des Substrats
gekennzeichnet ist. Eine bevorzugte Legierungspulverzusammensetzung
umfasst ungefähr
10 Gewichtsprozent Silizium, wobei der Rest im Wesentlichen aus
Platin besteht.
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Das
Platin-Siliziumlegierungspulver (ungefähr 90 Gewichtsprozent Pt – 10 Gewichtsprozent
Si) wird elektrophoretisch auf dem auf Nickel oder Kobalt basierenden
Superlegierungssubstrat anschließend an ein erstes Entfetten
des Substrats abgelagert und dann wird das Substrat trocken abgezogen
(Reinigung), dies unter Verwendung von Aluminiumoxidpartikeln mit
der Körnungsnummer
220 oder 240.
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Der
Schritt der elektrophoretischen Ablagerung wird in einem elektrophoretischen
Bad durchgeführt, das
ein träges
Partikelmaterial wie etwa Aluminiumoxid umfasst. Vorzugsweise ist
das Partikelmaterial fein zerkleinert. Ein Beispiel eines elektrophoretischen
Bades ist das was folgt:
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Elektrophoretische Badzusammensetzung
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- (a) Lösungsmittel:
60 ± 5
Gewichtsprozent Isopropanol, 40 ± 5% Gewichtsprozent Nitromethan
- (b) Legierungspulver: 15-30 Gramm Legierungspulver/Liter Lösungsmittel
- (c) Zein: 2,0-3,0 Gramm Zein/Liter Lösungsmittel
- (d) Kobaltnitrathexahydrat (CNH): 0,10-0,20 Gramm CNH/Liter
Lösungsmittel
- (e) Aluminiumoxid: 5-10 Gewichtsprozent.
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Um
die elektrophoretische Ablagerung aus dem Bad heraus auf die auf
Nickel oder Kobalt basierenden Superlegierungssubstrate zu bewirken,
wird das Superlegierungssubstrat in das elektrophoretische Bad eingetaucht
und mit einem elektrischen Gleichstromschaltkreis als eine Kathode
geschaltet. Ein metallischer Streifen (z. B. Kupfer, rostfreier
Stahl, Nickel oder ein anderes leitfähiges Material) wird als die
Anode eingesetzt und dieselbe wird in dem Bad in der Nähe der Probe
(Kathode) eingetaucht. Eine Stromdichte von ungefähr 1-2 mA/cm2 wird zwischen dem Substrat (Kathode) und
der Anode während
einer Zeitdauer von 1 bis 3 Minuten an das Bad bei Raumtemperatur
angelegt. Während
dieser Zeitspanne wird die Beschichtung aus dem Platin-Siliziumlegierungspulver
heraus als eine Legierungspulverablagerung von gleichmäßiger Dicke
auf dem Substrat abgelagert. Das Gewicht der abgelagerten Beschichtung
beträgt
typischerweise ungefähr
7-20 mg/cm2 der Substratoberfäche, obwohl
Beschichtungsgewichte von ungefähr
5 bis 25 mg/cm2 geeignet sind.
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Das
beschichtete Substrat wird dann am dem elektrophoretischen Bad entfernt
und an der Luft getrocknet, um irgendwelche übrig gebliebenen Restlösungsmittel
verdunsten zu lassen.
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Das
getrocknete, beschichtete Substrat wird dann einer Diffusionswärmebehandlung
unterworfen und zwar in einem Ofen mit einer Wasserstoff-, Argonatmosphäre, einem
Vakuum oder mit einer anderen geeigneten Schutzatmosphäre. Temperaturen
von ungefähr
2000°F und
Diffusionszeiten von ungefähr
8 bis ungefähr 30
Minuten werden vorzugsweise für
Superlegierungssubstrate auf Nickel-Basis verwendet. Temperaturen
von ungefähr
1900°F und
Diffusionszeiten von ungefähr
30 bis 60 Minuten werden vorzugsweise für Superlegierungssubstrate
auf Kobalt-Basis verwendet. Allgemein werden Temperaturen zwischen
etwa 1800°F
und etwa 2200°F
verwendet, abhängig
von dem Substrat. Nach der Diffusionswärmebehandlung wird das beschichtete Substrat
bis auf die Raumtemperatur abgekühlt.
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Die
Temperatur und die Zeitdauer der Diffusionswärmebehandlung werden so gewählt, dass
die abgelagerte Beschichtung aus dem Platin-Siliziumlegierungspulver
schmilzt und eine flüssige Übergangsphase bildet,
welche die Substratoberfläche
gleichmäßig und
einheitlich abdeckt, um es sowohl dem Platin als auch dem Silizium
zu ermöglichen,
in das Substrat hinein zu diffundieren. Typischerweise beträgt die mit
Platin-Silizium angereicherte Diffusionszone auf dem Substrat ungefähr 0,5 bis
1,5 mils in der Dicke und sie umfasst Platin und Silizium vor allem
in fester Lösung
in der Diffusionszone.
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Wie
vorstehend erwähnt,
wird die Zusammensetzung des Platin-Siliziumlegierungspulvers (vorzugsweise
90 Gewichtsprozent Pt – 10
Gewichtsprozent Si) so gewählt,
dass eine optimale Übergangsflüssigphase geliefert
wird für
die Diffusion von Platin und Silizium hinein in das Substrat im
Verlaufe der ersten Diffusionswärmebehandlung.
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Nach
der ersten Diffusionswärmebehandlung
wird das mit Platin-Silizium angereicherte Superlegierungssubstrat
durch ein trockenes Abziehen leicht mit Aluminiumoxidpartikeln von
der Körnungsnummer
220 oder 240 gereinigt.
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Nach
der Reinigung wird das mit Platin-Silizium angereicherte Superlegierungssubstrat
mit einer Aluminium enthaltenden Ablagerung mit Hilfe eines zweiten
elektrophoretischen Ablagerungsschritts beschichtet. Vorzugsweise
wird für
die auf Nickel basierenden Superlegierungssubstrate ein vorlegiertes
Pulver, welches z. B. umfasst, entweder (1) 55 Gewichtsprozent Aluminium
und 45 Gewichtsprozent Chrom oder (2) 42 Gewichtsprozent Aluminium,
40 Gewichtsprozent Chrom und 18 Gewichtsprozent Mangan, elektrophoretisch
auf dem Substrat abgelagert. Für
Kobaltsuperlegierungssubstrate wird vorzugsweise ein vorlegiertes
Pulver, welches z. B. umfasst, entweder (1) 65 Gewichtsprozent Aluminiums
und 35 Gewichtsprozent Chrom oder (2) 70 Gewichtsprozent Aluminiums
und 30 Gewichtsprozent Chrom, elektrophoretisch auf dem Substrat
abgelagert.
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Der
Schritt der elektrophoretischen Ablagerung wird unter denselben
Bedingungen durchgeführt,
wie sie hierin bereits vorher bekannt gemacht worden sind für das Ablagern
des Platin-Siliziumlegierungspulvers, wobei
jedoch dasjenige das Aluminium enthaltende Pulver in dem elektrophoretischen
Bad durch das Platin-Siliziumlegierungspulver substituiert wird
und es ist kein Aluminiumoxid in dem Bad notwendig. Dieselbe Menge
(z. B. 15-30 Gramm des das Aluminium enthaltenden Legierungspulvers)
wird pro Liter Lösungsmittel eingesetzt,
um das Aluminium enthaltende Legierungspulver elektrophoretisch
auf dem Substrat abzulagern.
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Die
das Aluminium enthaltende Pulverbeschichtung wird elektrophoretisch
mit Beschichtungsgewichten in dem Bereich von etwa 15 bis ungefähr 40 mg/cm2 abgelagert, ungeachtet der Zusammensetzung
der das Aluminium enthaltenden Beschichtung und der Zusammensetzung
des Substrats.
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Nachdem
die das Aluminium enthaltende Pulverbeschichtung elektrophoretisch
abgelagert worden ist, wird das beschichtete Substrat an der Luft
getrocknet, um übrig
gebliebenes Restlösungsmittel
verdunsten zu lassen.
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Danach
wird das getrocknete, mit dem Aluminium enthaltenden Pulver beschichtete
Substrat einer zweite Diffusionswärmebehandlung unterworfen,
und zwar in einem Ofen mit einer Wasserstoff-, Argonatmosphäre, einem
Vakuum oder mit einer anderen geeigneten Atmosphäre, um eine mit Platin und
Silizium angereicherte Diffusionsaluminidbeschichtung auf dem Substrat
zu erzeugen. Für
Superlegierungssubstrate auf Nickel-Basis wird die zweite Diffusionswärmebehandlung
vorzugsweise bei ungefähr
1975-2100°F
während
einer Zeitdauer von ungefähr
2 bis 4 Stunden durchgeführt.
Für Superlegierungssubstrate
auf Kobalt-Basis wird die zweite Diffusionswärmebehandlung bei einer Temperatur
von ungefähr
1800-1900°F
während
einer Zeitdauer von ungefähr
2 bis 5 Stunden durchgeführt.
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Die
durch die zweite Diffusionswärmebehandlung
gebildete Diffusionsaluminidbeschichtung weist typischerweise eine
Dicke von ungefähr
2 bis 5 mils auf und enthält
typischerweise eine zweiphasige, an Platin reiche äußere Zone.
Der Platingehalt der gemäß der Erfindung
hergestellten Diffusionsaluminidbeschichtung liegt typischerweise
in dem Bereich von ungefähr
15 bis ungefähr
35 Gewichtsprozent in der Nähe
der äußeren Oberfläche des
beschichteten Substrats (d. h. ungefähr genau so viel wie konventionell
aufgetragene mit Pt angereicherte diffundierte Aluminidbeschichtungen).
Der Siliziumgehalt der Beschichtung gemäß der Erfindung liegt typischerweise
in dem Bereich von ungefähr
0,5 bis ungefähr
10 Gewichtsprozent in der Nähe
der Grenzfläche
Substrat/Beschichtung.
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Es
wird jetzt auf spezifische Beispiele Bezug genommen, wobei die oben
beschriebenen Verfahren Verwendung finden. Es soll verstanden sein,
dass die Beispiele dazu dienen bevorzugte Ausführungen vollständiger zu
beschreiben und dass somit hierbei keinerlei Begrenzung hinsichtlich
des Umfangs der Erfindung beabsichtigt ist.
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ALLGEMEINES ZUM EXPERIMENT
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Das
Testen wird durchgeführt,
um zu zeigen, dass das Dotieren des elektrophoretischen Pt-Si Bades mit
feinen Aluminiumoxidpartikeln es der Beschichtungsmikrostruktur
ermöglicht, über einen
breiteren grünen Beschichtungsgewichtsbereich
hinweg gesteuert zu werden als wenn ein undotiertes elektrophoretisches
Pt-Si Bad verwendet wird. Zu der Auswirkung der Partikelgröße des Aluminiumoxids
wird auch eine Anmerkung gegeben. Ein kurzer Screeningtest hinsichtlich
der Hochtemperaturoxidation unterscheidet zwischen PtAl Beschichtungen,
die zum "Zerknittern" neigen, und jenen,
die dies nicht tun. Eine Zugabe von Aluminiumoxid im Verlauf des
ersten Schritts beeinflusst die dynamische Oxidationsbeständigkeit
der Beschichtung nach 300 Stunden des Testens nicht nachteilig.
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2 zeigt
die normale Beschichtungsmikrostruktur der PtAl Beschichtung auf
IN738 nach dem bisherigen Stand der Technik Die grünen Beschichtungsgewichte
auf den 1/8'' Stiften werden absichtlich
niedrig gehalten. Dem minimalen Gewichtsprozentsatz von 10% Pt und
18% Al, welcher für
PtAl auf den Nickelsuperlegierungssubstraten spezifiziert ist, wird
entsprochen. 3 zeigt das Zusammensetzungsprofil
für diese
Beschichtung.
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4 zeigt
nicht geätzte
Mikrostrukturen für
PtAl Beschichtungen nach dem bisherigen Stand der Technik, welche
ein wenig Porosität
in der Beschichtung aufweisen. Diese repräsentiert denselben Typ einer Pt-Si
Zusammensetzung wie sie oben gezeigt worden ist. Die Porosität neigt
dazu sich in der Beschichtung zu entwickeln wenn das grüne P-Si
Beschichtungsgewicht gesteigert wird. Die Diffusionszone innerhalb
der Beschichtungsmikrostruktur verändert sich auch von einer wohl
definierten Spaltenstruktur ausgehend zu einer mehr zufällig strukturierten "fingerförmigen" Zone, wie dies in
der 4 gesehen werden kann.
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Frühe Experimente,
die tafelförmiges
Aluminiumoxid verwendeten, welches durch ein Kugelmahlen während einer
Zeitdauer von 15 Stunden behandelt wurde (hierin weiter hinten als
grobes Aluminiumoxid bezeichnet; die Partikelgrößenverteilung ist in 5 gezeigt),
zeigten Erfolgsaussichten hinsichtlich des Steuerns der Diffusionseffizienz
des Pt-Si und dadurch des Steuerns der Beschichtungsmikrostruktur
nach dem früheren
Stand der Technik und hinsichtlich des Verhinderns von Porosität innerhalb
der Beschichtung. Basierend auf diesen frühen Experimenten scheint die
Zugabe von 10 bis 15 Gewichtsprozent Aluminiumoxid den gewünschten
Grad an Steuerung zu bieten.
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BEISPIEL 1
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OPTIMIERUNG DER DOTIERUNG MIT ALUMINIUMOXID
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6 zeigt
die Ergebnisse von Optimierungstests hinsichtlich der Dotierung
mit grobem Aluminiumoxid. Basierend auf der Optimierung mit grobem
Aluminium werden die Bäder
A und B mit 10 bzw. 15 Gewichtsprozent an feinem Aluminiumoxid formuliert.
Versuche mit 1/8'' Stiften zeigen sehr
wenig Gewichtsgewinn nach der Diffusion der grünen Beschichtung während der
normalen Diffusionszeit und für
die normale Temperatur. Dieses Niveau der Dotierung mit Aluminiumoxid
behindert das Diffusionsverfahren. Diese Ergebnisse werden den Unterschieden
in den Partikelgrößen der
zwei Typen von Aluminiumoxid zugeschrieben. Das feine Aluminiumoxid
grenzt die Diffusion des Pt-Si strenger ein als das grobe Aluminiumoxid.
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Als
Folge davon werden deshalb die Bäder
C und D auf Dotierungsgrade von 2 beziehungsweise 5 Gewichtsprozent
eingestellt. Offenbar ist dieses Niveau zu niedrig. Die Beschichtungsdicke
nach der Diffusion der grünen
Pt-Si Beschichtungsablagerungen auf den 1/8'' In738-Stiften überschreitet
die Beschichtungsdicke, die von der Verfahrensspezifikation für den Beschichtung
nach dem bisherigen Stand der Technik zugelassen ist.
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Eine
Dotierung von nominal 7 Gewichtsprozent mit feinem Aluminiumoxid
(Bad E) ergibt den gewünschten
Grad an Steuerung hinsichtlich der Beschichtungsdicke und der Beschichtungsmikrostruktur.
Die Tabelle I zeigt die durchschnittliche, minimale und maximale
Dicke für
die erfindungsgemäße PtAl
Beschichtung auf 1/8'' Stiften von IN738,
die mit dem Bad E beschichtet sind. Die Mikrostrukturen sind frei
von Hohlräumen
innerhalb der Beschichtung und frei von Beschichtungsvertiefungen über einen
weiten Bereich von grünen
Pt-Si Beschichtungsgewichten hinweg, so lange bis das grüne Beschichtungsgewicht
ungefähr
20 mg/cm
2 überschreitet (G782). Das grüne Beschichtungsgewicht
des Al:Cr wird für
den zweiten Schritt relativ konstant gehalten. TABELLE I
ID | Pt-Si
+ 7% Al2O3 grünes Beschichtungsgewicht (mg/cm2) | Durchschnittliche Beschichtungsdicke
(mils) | Minimale
Beschichtungsdicke (mils) | Maximale
Beschichtungsdicke (mils) |
G784 | 7,19 | 2,24 | 1,91 | 2,50 |
G795 | 8,63 | 2,41 | 2,06 | 2,79 |
G796 | 12,5 | 2,48 | 2,21 | 2,65 |
G797 | 19,2 | 2,60 | 2,21 | 2,94 |
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Die 7 zeigt
die erfindungsgemäßen PtAl
Beschichtungsmikrostrukturen für
die Probe G797, die in der Tabelle I gezeigt ist. Es soll dabei
zur Kenntnis genommen werden, dass der gesamte in der Tabelle I
gezeigte Bereich der Beschichtungsdicke innerhalb des erforderlichen
Bereiches von 1,5 bis 3,5 mils rangiert.
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BEISPIEL 2
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STATISCHE OXIDATIONSSCREENINGSTESTS
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Wenn
Porosität
innerhalb der Beschichtungsmikrostruktur vorkommt, dann können, so
hat die Erfahrung gezeigt, Aussetzungen gegenüber hoben Temperaturen für kurze
Zeiten als ein Screeningtest verwendet werden, um die Beschichtungslebensdauer
zu bestimmen.
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Die 8A zeigt
das typische Erscheinungsbild der geätzten Beschichtungsmikrostruktur
nach dem bisherigen Stand der Technik auf einem Stift nach einer
Aussetzung bei 2150°F
während
einer Zeitdauer von 24 Stunden. Das Pt-Si wird aus einem 10 Literbad
abgelagert. Die Beschichtung wird eher in Wasserstoff als in dem
normalerweise verwendeten Argon diffundiert. Die Porosität innerhalb
der Beschichtung und die Hochtemperaturaussetzung verursachen ein
Verknittern der Beschichtung an drei Stellen auf dem Stiftumfang.
Eine von diesen wird in der 8B gezeigt.
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BEISPIEL 3
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ERFINDUNGSGEMÄßE PtAl-BESCHICHTUNGSKENNZEICHNUNG–STATISCHES
OXIDATIONSVERHALTEN
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Um
das Verknitterungsproblem abzuschwächen, wenden wir uns in dem
ersten Schritt der Dotierung mit Aluminiumoxid zu, um die Diffusionseffizienz
der Pt-Si Ablagerung zu steuern. Dies ist besonders wichtig in denjenigen
Gebieten, wo die grüne
Beschichtung in den Bereichen hoher Stromdichten schwerer ist wie etwa
bei den Führungs-
und Hinterkanten (und Deck- und Plattformkanten) bei Turbinenschaufeln
und Leitschaufeln. Während
die grüne
Beschichtung sorgfältig
auf einfachen Formen wie etwa auf runden Stiften gesteuert werden
kann, wird das grüne
Beschichtungsgewicht in lokalisierten Bereichen wahrscheinlich entsprechend
komplexen Formen wie etwa bei mehrfachen Tragflächenflügeln variieren.
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Die
Bedeutung des Niveaus der Dotierung mit Aluminiumoxid, der Partikelgrößenverteilung
des Aluminiumoxids und des grünen
Beschichtungsgewichtes sind vorher diskutiert worden. Beschichtungen
gemäß der vorliegenden
Erfindung werden aus den Bäder
F, G und H hergestellt, die mit 7 Gewichtsprozent feinem Aluminiumoxid
dotiert sind, und sie liefern ähnliche
Ergebnisse wie das Bad E (Tabelle I). Die
9 zeigt
eine Probe am einer erfindungsgemäßen PtAl Beschichtung in dem
Zustand wie sie der Diffusion unterzogen worden ist, welche aus
dem Bad G mit 7 Gewichtsprozent Aluminiumoxid hergestellt worden
ist, und dieselbe Beschichtung nach einem 24 Stunden dauernden Aussetzen
bei 2150°F
an der Luft. Es ist wichtig zur Kenntnis zu nehmen, dass es nach
dem thermischen Aussetzen keine Verknitterung gibt. Die
9A und
9B zeigen
die Beschichtung im Zustand nach der Diffusion und nach dem thermischen
Aussetzen für
den Stift G815 mit einem grünen
Beschichtungsgewicht von 22,7 mg/cm
2. Nach
der thermischen Aussetzung bei 2150°F während einer Zeitdauer von 24
Stunden hat man keine Verknitterung beobachtet. Die erfindungsgemäßen Beschichtungen,
die fast einen 3-fachen Bereich von grünen Pt-Si Beschichtungsgewichten überspannen,
sind nach dem 2150°F-24
Stunden Screeningtest annehmbar. Die Tabelle II fasst die Daten
für die
erfindungsgemäßen Beschichtungen
aus dem Bad G zusammen. TABELLE II
ID | Pt-Si
+ 7% Al2O3 grünes Beschichtungsgewicht (mg/cm2) | Durchschnittliche Beschichtungsdicke
(mils) | Minimale
Beschichtungsdicke (mils) | Maximale
Beschichtungsdicke (mils) |
G814 | 11,1 | 2,35 | 2,21 | 2,50 |
G815 | 22,7 | 2,54 | 2,35 | 2,65 |
G816 | 30,5 | 2,34 | 2,06 | 2,94 |
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Eine ähnliche
Reihe von Beschichtungen wird aus dem Bad H hergestellt und diese
Beschichtungen überspannen
einen grünen
Pt-Si Beschichtungsgewichtsbereich von 9,45 bis 23,7 mg/cm2, für
den der 2150°F-24
Stunden Zyklus keine Verknitterung ergibt. Eine Verknitterung wird
nur für
Beschichtungen gemäß der vorliegenden
Erfindung mit derselben thermischen Aussetzung nur dann beobachtet,
wenn das grüne
Pt-Si Beschichtungsgewicht auf 34,4 mg/cm2 erhöht wird.
Solch ein grünes
Beschichtungsgewicht liegt weit außerhalb der normalen Verfahrensgrenzen.
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Die
10A und
10B zeigen
die Beschichtung auf der Probe G819 aus dem Bad H in dem Zustand
nach der Diffusion und in dem Zustand anschließend an das Aussetzen (d. h.
nach der thermischem Aussetzung bei 2150°F während einer Zeitdauer von 24
Stunden). Die Tabelle III fasst die Daten für die erfindungsgemäßen PtAl
Beschichtungen aus dem Bad H zusammen, für welche das grüne Pt-Si
+ Al
2O
3 Beschichtungsgewicht
variiert wird. Eine jede der Beschichtungen weist ähnliche
grüne Al-Cr
Beschichtungsgewichte bei dem zweiten Schritt auf. TABELLE II
ID | Pt-Si
+ 7% Al2O3 grünes Beschichtungsgewicht (mg/cm2) | Durchschnittliche Beschichtungsdicke
(mils) | Minimale
Beschichtungsdicke (mils) | Maximale
Beschichtungsdicke (mils) |
G817 | 9,45 | 2,23 | 2,06 | 2,35 |
G818 | 17,4 | 2,26 | 2,06 | 2,35 |
G819 | 23,7 | 2,33 | 2,21 | 2,50 |
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BEISPIEL 4
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ZUSAMMENSETZUNG DER DIFFUSIONSBESCHICHTUNG
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Analysen
der mikrochemischen Beschichtungszusammensetzung werden unter Verwendung
eines SEM, das mit einer Röntgenstrahlenenergie-Dispersionsanalyse
(XEDA) ausgestattet ist, für
die Probe G819 durchgeführt,
um eine Korrelation zwischen dem grünen Pt-Si + Al2O3 Beschichtungsgewicht in dem ersten Schritt
und der endgültigen
Diffusionszusammensetzung im Vergleich zu dem erforderten Gewichtsprozentsatz
an Pt und Al festzulegen. Die 11 zeigt
die XEDA-Ergebnisse. Die Beschichtung auf der Probe erfüllt die
Minimalwerte von 20 Gewichtsprozent Al und 10 Gewichtsprozent Pt.
Ein zweifacher Bereich einer grünen Beschichtung
existiert für
den ersten Schritt, welcher die Anforderung an die Zusammensetzung
erfüllen
wird.
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BEISPIEL 5
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DYNAMISCHES OXIDATIONSTESTEN
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Ein
dynamisches Oxidationstesten wird in einer Hochgeschwindigkeits-Becon-Anlage
bei 2000°F durchgeführt. Die
hohe Geschwindigkeit und die zyklische Art dieses Tests treffen
mehr auf die Maschinenbetriebsbedingungen als auf einen statischen
Oxidationstest zu.
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Die 12 zeigt
die Gewichtsveränderung,
die für
nackte und für
beschichtete IN738-Proben zutrifft. Wie aus der Figur ersehen werden
kann, sind PtAl Beschichtungen (Proben P8-1, P8-2, P8-3, P8-1A und P8-2A) eindeutig
besser als einfache Aluminidbeschichtungen (Still S8-2) und blanke
(Stift B8-1) IN738 Beschichtungen. Stifte P8-1A und P8-2A werden
mit der erfindungsgemäßen Beschichtung
aus dem Bad E mit einer mit nominal 7 Gewichtsprozent Aluminiumoxid
dotierten Pt-Si Schicht beschichtet. Nach 300 Stunden ist die Veränderung
des erfindungsgemäßen Beschichtungsgewichts ähnlich wie
diejenige der Beschichtungen nach dem bisherigen Stand der Technik
auf IN738. Dies lässt
vermuten, dass eine Aluminiumoxiddotierung, die für die Verfahrenssteuerung
verwendet wird, die dynamische Oxidationsbeständigkeit des PtAl nicht nachteilig
beeinflusst.
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BEISPIEL 6
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HEIßER
KORROSIONSTEST
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Das
Testen betreffend die Korrosion in der Hitze wird durchgeführt mit
einer unter niedriger Geschwindigkeit und bei atmosphärischem
Druck betriebenen Brennerausrüstung
zum Korrosionstesten in der Hitze unter Bedingungen, die dem Typ
I der Hitzekorrosionsbedingungen entsprechen. Die Testbedingungen
sind wie folgt:
Temperaturen: | 1650°F |
Zeit: | 1000
Stunden |
Gewichtsprozent
Schwefel: | 1% |
Verunreinigung
mit Seesalz: | 10
ppm |
Brennstoff: | #2
Diesel |
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Die
Auswirkung der korrosiven Umgebung auf die Stifte wird periodisch überwacht.
Es werden von den Stiften Makrophotographien aufgenommen, wenn erhebliche
Veränderungen
beobachtet werden.
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Das
Testen zeigt:
- 1. Eine mit Aluminiumoxid dotierte
PtAl Beschichtung verhält
sich genauso gut wie die standardmäßige PtAl Beschichtung auf
IN738;
- 2. PtAl und das erfindungsgemäße (d. h. das dotierte) PtAl
weisen eine ähnliche
Korrosionsbeständigkeit in
der Hitze auf wie konventionelles PtAl auf IN738.
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Makrophotographien
nach 250, 300, 500, 700 und 1000 Stunden werden aufgenommen, um
die Oberflächenbedingungen
der beschichteten Stifte als eine Funktion der Zeit zu dokumentieren.
(Die erfindungsgemäße Beschichtung,
die in diesem Beispiel verwendet wird, ist ein grobes mit Aluminiumoxid
dotiertes PtAl, das hergestellt wird, indem man 10 Gewichtsprozent
Aluminiumoxid in die Pt-Si Ablagerung in dem ersten Schritt des
Beschichtungsverfahrens mit einbezieht.).
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Bei
500 Stunden zeigt das einfache Aluminid auf IN738 einen erheblichen
Angriff vom Typ eines Zunderns, während die PtAl Beschichtungen
nach dem bisherigen Stand der Technik und die erfindungsgemäßen PtAl
Beschichtungen nur ein leichtes Aufrauen der Stiftoberfläche zeigen,
wie dies in den 13a-c dokumentiert ist. Vergleichende
Beispiele zeigen einen vollständigen
Angriff des einfachen Aluminids auf IN738, wobei ein Abblättern auf
einigen Stiften vorkommt, während
das 700 Stunden Aussetzen auf den PtAl Beschichtungen nach dem bisherigen
Stand der Technik und auf den erfindungsgemäßen PtAl Beschichtungen etwas
Rauheit erzeugt.
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Nach
1000 Stunden ist die einfache Aluminidbeschichtung auf IN738 vollständig durchdrungen
worden, während
die PtAl Beschichtungen nach dem bisherigen Stand der Technik und
die erfindungsgemäßen PtAl
Beschichtungen einige Korrosionsbärte zeigen, die den Anfang
des Korrosionsangriffes signalisieren, wie derselbe in den 14A-C gezeigt wird.
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Eine
Rangfolge der Korrosionsbeständigkeit
von bestimmten Kombinationen Material/Beschichtung mit der geschätzten Zeit
für das
visuell sichtbare Beschichtungsversagen bei 1650°F wird unten aufgelistet und in
der
15 graphisch dargestellt.
Substrat/Beschichtung | durchschnittliche
Zeit bis zum visuell sichtbaren Versagen (Stunden) |
IN738/verbessertes
PtAl | 908 |
IN738/PtAl
nach dem bisherigen Stand der Technik | 891 |
IN738/einfaches
Aluminid | 396 |
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Die
Stifte werden an zwei vorher ausgewählten Stellen unterteilt und
Messungen werden für
eine jede Kombination Substrat/Beschichtung nach Aussetzungszeiten
von bis zu 1000 Stunden durchgeführt.
Die 16 ist ein eine graphische Darstellung des gemessenen
Angriffs der PtAl Beschichtung nach dem bisherigen Stand der Technik,
der verbesserten PtAl Beschichtung und der einfachen Aluminidbeschichtung
auf einem IN738-Substrat nach einer Aussetzungszeit von 1000 Stunden.
Für PtAl
nach dem bisherigen Stand der Technik und für verbessertes PtAl wird die
Durchdringung auf die PtAl Beschichtung begrenzt, während die gemessene
Durchdringung für
einfaches Aluminid eine zusammengesetzte Messung durch die Beschichtung hindurch
und in das Substrat hinein darstellt. Die 17A-B
zeigen einen repräsentativen
Angriff für
die PtAl Beschichtung nach dem bisherigen Stand der Technik (17A) und für
die verbesserte PtAl Beschichtung (17B)
auf IN738.
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Die
Porosität
in den PtAl Beschichtungen nach dem bisherigen Stand der Technik
auf anderen Substraten ist minimiert worden, indem man das grüne Beschichtungsgewicht
in dem ersten Schritt oder durch eine Zugabe von Aluminiumoxid zu
dem Pt-Si AEP Bad bei Niveaus von 5-15 Gewichtsprozent, verringert.
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Es
soll anerkannt werden, dass für
einfache Formen wie etwa für
die in der Hitze auf Korrosion getesteten Stifte eine zufrieden
stellende Mikrostruktur erzielt werden kann durch ein vorsichtiges
Steuern des grünen
Pt-Si Beschichtungsgewichtes in dem ersten Schritt. Für Teile
mit komplexeren geometrischen Formen jedoch ist diese Steuerung
eine stärkere
Herausforderung. Das durchschnittliche grüne Beschichtungsgewicht kann
gesteuert werden, aber es kann lokale Variationen in bestimmten
Bereichen geben, welche Beschichtungsanomalien verursachen können. Dementsprechend
liefert die mit Aluminiumoxid dotierte erfindungsgemäße PtAl
Beschichtung, die auf eine durch die Hitze bedingte Korrosion getestet
worden ist, die besten Mittel einer Diffusionsbeschichtungsdicke
und einer mikrostrukturellen Steuerung für Beschichtungskomponenten mit
komplexerer Geometrie.
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Es
soll auch anerkannt werden, dass die erfindungsgemäße PtAl
Beschichtung lokal aufgetragen werden kann, indem man einen Schlamm
der Beschichtungszusammensetzung aufstreicht, um eine wirksame "Auffrischungs"-("touch-up"-)Beschichtung herzustellen,
wo ein Schaden an der ursprünglichen
Beschichtung vorgekommen ist. Alternativ kann die Schlammbeschichtung
durch eine Sprühauftragung
aufgetragen werden. Dieses Auffrischungsverfahren ist besonders
geeignet für
eine Reparatur einer Turbinenleitschaufel, da ein Auffrischungsanstrich
ohne eine Aluminiumoxiddotierung zu einer großen Variation der grünen Beschichtungsdicke
und zu angepassten Diffusionsbeschichtungsmikrostrukturen führt. Wie
vorher angegeben, wird die Leistung nachteilig beeinflusst, wenn
zu viel Pt-Si in dem ersten Schritt abgelagert wird. Mit einer Aluminiumoxiddotierung
sind über
einen viel breiteren Bereich annehmbare Beschichtungsmikrostrukturen
möglich.
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BEISPIEL 7
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Ein
Artikel, der mit einer Auffrischungsauftragung beschichtet werden
soll, wird zubereitet indem man den beschädigten Bereich ausblendet,
um irgendeinen scharfen Übergang
zwischen der nicht beeinträchtigten Beschichtung
und dem beschädigten
Bereich zu beseitigen, und indem man mit einem Abriebmittel von
geeigneten Dimensionen ein leichtes Strahlen vornimmt und indem
man das Pt-Si Pulver mit ungefähr
5 bis 10 Gewichtsprozent eines fein zerteilten Aluminiumoxids und
mit der Zeinlösung
in einem Isopropanol-/Nitromethan-Lösungsmittel vermischt und indem
man dann mit einem kleinen Pinsel, von der Art wie ihn ein Künstler besitzt,
die Mischung aufstreicht. Nach der Diffusion des Pt-Si wird die
Probe einer leichten Strahlbehandlung unterzogen, ein Schlamm aus
Al-Cr wird durch ein Streichen aufgetragen und anschließend in
der Wärme
behandelt, um die vollständige
Beschichtung herzustellen.
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Im
Anschluss an dieses Beispiel wird das erfindungsgemäße PtAl
auf IN792 hergestellt durch ein Aufstreichen von Pt-Si + 7 Gewichtsprozent
Aluminiumoxid, durch ein Diffundieren, durch eine leichte Sandstrahlbehandlung,
durch ein leichtes Aufstreichen von Al-Cr, durch ein Diffundieren
und durch eine leichte Sandstrahlbehandlung. Eine annehmbare Mikrostruktur
wird hergestellt und die Zusammensetzung entspricht dem spezifizierten
Minimum von 20 Gewichtsprozent Al und 10 Gewichtsprozent Pt.
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Es
soll auch anerkannt werden, dass die erfindungsgemäße Technik
auf andere Pulverzusammensetzungen erweitert werden kann. Ein solches
Beispiel ist die Substitution von Platin durch Palladium (Pd).
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BEISPIEL 8
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Eine
wünschbare
Beschichtung wird auf X-40 Material auf Kobalt-Basis erzeugt, indem
man das oben beschriebene zweistufige elektrophoretische Verfahren
anwendet. Die Zusammensetzung des Pulvers, das in dem Schritt 1
verwendet wird, besteht aus 90 Gewichtsprozent Pd, 5 Gewichtsprozent
Si und 5 Gewichtsprozent Aluminiumoxid. Die Zusammensetzung des
Pulvers, das in dem Schritt 2 verwendet wird, besteht aus 70 Gewichtsprozent
Al und 30 Gewichtsprozent Cr. Die Vorteile der Aluminiumoxiddotierung
sind dokumentiert. Die Mikrosondenanalyse der Zusammensetzung zeigt
das Einbinden von wesentlichen Mengen an Pd in die Beschichtungsmikrostruktur.