DE69838341T2

DE69838341T2 - Verbesserung der gleichmässigkeit einer beschichtung beim dotieren mit aluminiumoxid

Info

Publication number: DE69838341T2
Application number: DE69838341T
Authority: DE
Inventors: George Edward Indianapolis CREECH; Paul Stephen Aiken KORINKO; Michael Joe Indianapolis BARBER; Subhash K. Carmel NAIK
Original assignee: Rolls Royce Corp
Current assignee: Rolls Royce Corp
Priority date: 1997-09-26
Filing date: 1998-09-23
Publication date: 2008-07-03
Anticipated expiration: 2018-09-24
Also published as: WO1999015716A1; EP1032725A1; US5958204A; CA2304829C; AU1899999A; EP1032725B1; CA2304829A1; EP1032725A4; DE69838341D1

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
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.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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/cm² 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.
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.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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;

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;

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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.
2 zeigt die normale Beschichtungsmikrostruktur der PtAl Beschichtung auf IN738 nach dem bisherigen Stand der Technik.
3 zeigt das Zusammensetzungsprofil einer PtAl Beschichtung nach dem bisherigen Stand der Technik.
4 zeigt die nicht geätzte Mikrostruktur für eine PtAl Beschichtung nach dem bisherigen Stand der Technik, welche die in Beschichtung vorhandene Porosität zeigt.
5 zeigt die Verteilung der Partikelgröße des in den Dotierungsexperimenten verwendeten Aluminiumoxids.
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
7 zeigt die erfindungsgemäße PtAl Beschichtungsmikrostruktur für die Probe G797 der Tabelle 1.
8 (8A-B) zeigt typische Querschnitte der getesteten Stifte.
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.
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.
11 zeigt die XEDA Ergebnisse einer Analyse der Beschichtungszusammensetzung mit Hilfe einer Mikrosonde für die erfindungsgemäße Beschichtung.
12 zeigt die Gewichtsveränderungen, die blanke und beschichtete IN738 Proben während des Testens bei 2000°F erfahren.
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.
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.
15 ist eine grafische Chartdarstellung der Testergebnisse der heißen Korrosion, welche die Zeit bis zum sichtbaren Versagen der Beschichtung bei 1650°F zeigt.
16 ist eine grafische Chartdarstellung der Testergebnisse der heißen Korrosion nach 1000 Stunden bei 1650°F.
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.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNG
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.
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.
Allgemein gesehen umfasst das Verfahren die folgenden Schritte:

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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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:
Elektrophoretische Badzusammensetzung

(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.

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.
Das beschichtete Substrat wird dann am dem elektrophoretischen Bad entfernt und an der Luft getrocknet, um irgendwelche übrig gebliebenen Restlösungsmittel verdunsten zu lassen.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
ALLGEMEINES ZUM EXPERIMENT
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.
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.
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.
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.
BEISPIEL 1
OPTIMIERUNG DER DOTIERUNG MIT ALUMINIUMOXID
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.
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.

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/cm² 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

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.
BEISPIEL 2
STATISCHE OXIDATIONSSCREENINGSTESTS
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.
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.
BEISPIEL 3
ERFINDUNGSGEMÄßE PtAl-BESCHICHTUNGSKENNZEICHNUNG–STATISCHES OXIDATIONSVERHALTEN
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.

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/cm². 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

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.

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 + Al₂O₃ 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

BEISPIEL 4
ZUSAMMENSETZUNG DER DIFFUSIONSBESCHICHTUNG
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.
BEISPIEL 5
DYNAMISCHES OXIDATIONSTESTEN
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.
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.
BEISPIEL 6
HEIßER KORROSIONSTEST
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
Die Auswirkung der korrosiven Umgebung auf die Stifte wird periodisch überwacht. Es werden von den Stiften Makrophotographien aufgenommen, wenn erhebliche Veränderungen beobachtet werden.
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.

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.).
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.
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.

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

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.
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.
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.
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.
BEISPIEL 7
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.
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.
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).
BEISPIEL 8
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.

Claims

Verfahren zur Steuerung der endgültigen Beschichtungsdicke auf einem Metallsubstrat von einer Diffusionsaluminidbeschichtung, 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 des nicht diffundierten Belages, um eine diffundierte, an Pt-Si angereicherte Beschichtung auf dem Substrat zurückzulassen; (d) ein Ablagern einer Beschichtung aus einem Aluminium tragenden Pulver auf das an Platin und Silizium angereicherte Substrat; (e) ein Ausüben einer Wärmebehandlung auf das beschichtete Substrat, um das Aluminium tragende Pulver in das Substrat hinein zu diffundieren; und (f) ein Entfernen des 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.
Verfahren gemäß Anspruch 1, bei welchem die Pt-Si Ablagerung vollzogen wird durch eine elektrophoretische Ablagerung.
Verfahren gemäß Anspruch 1, bei welchem das Platin-Siliziumpulver am einem vorlegierten Pulver besteht.
Verfahren gemäß Anspruch 1, bei welchem das Platin-Siliziumpulver aus einer Mischung von Pt und Si besteht.
Verfahren gemäß Anspruch 1, bei welchem die Platin-Siliziumablagerung vollzogen wird durch eine Schlammablagerung.
Verfahren gemäß Anspruch 1, bei welchem die das Aluminium tragende Pulverablagerung vollzogen wird durch eine elektrophoretische Ablagerung.
Verfahren gemäß Anspruch 1, bei welchem das das Aluminium tragende Pulver am einem vorlegierten Pulver besteht.
Verfahren gemäß Anspruch 1, bei welchem das das Aluminium Nagende Pulver am einer Mischung von Aluminium und mindestens von einem anderen Metall besteht.
Verfahren gemäß Anspruch 1, bei welchem die das Aluminium tragende Pulverablagerung vollzogen wird durch eine Schlammablagerung.
Verfahren zur Steuerung der endgültigen Beschichtungsdicke auf einem Metallsubstrat von einer Diffusionsaluminidbeschichtung, 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 des nicht diffundierten Belages, um eine diffundierte, an Pd-Si angereicherte Beschichtung auf dem Substrat zurückzulassen; (d) ein Ablagern einer Beschichtung aus einem Aluminium tragenden Pulver auf das an Palladium und Silizium angereicherte Substrat; (e) ein Ausüben einer Wärmebehandlung auf das beschichtete Substrat, um das Aluminium tragende Pulver in das Substrat hinein zu diffundieren; und (f) ein Entfernen des 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.
Verfahren gemäß Anspruch 10, bei welchem die Pd-Si Ablagerung vollzogen wird durch eine elektrophoretische Ablagerung.
Verfahren gemäß Anspruch 10, bei welchem das Palladium-Siliziumpulver aus einem vorlegierten Pulver besteht.
Verfahren gemäß Anspruch 10, bei welchem das Palladium-Siliziumpulver aus einer Mischung von Pd und Si besteht.
Verfahren gemäß Anspruch 10, bei welchem die Palladium-Silizium Ablagerung vollzogen wird durch eine Schlammablagerung.
Verfahren gemäß Anspruch 10, bei welchem die das Aluminium tragende Pulverablagerung vollzogen wird durch eine elektrophoretische Ablagerung.
Verfahren gemäß Anspruch 10, bei welchem das das Aluminium tragende Pulver aus einem vorlegierten Pulver besteht.
Verfahren gemäß Anspruch 10, bei welchem das das Aluminium tragende Pulver aus einer Mischung von Aluminium und mindestens einem anderen Metall besteht.
Verfahren gemäß Anspruch 10, bei welchem die das Aluminium tragende Pulverablagerung durchgeführt wird durch eine Schlammablagerung.