EP0316388A1 - Verfahren zur herstellung von oxidations- und heissgaskorrosionsschutzschichten. - Google Patents
Verfahren zur herstellung von oxidations- und heissgaskorrosionsschutzschichten.Info
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Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
- C25D—PROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PRODUCTION OF COATINGS; ELECTROFORMING; APPARATUS THEREFOR
- C25D15/00—Electrolytic or electrophoretic production of coatings containing embedded materials, e.g. particles, whiskers, wires
- C25D15/02—Combined electrolytic and electrophoretic processes with charged materials
Definitions
- the invention relates to a method for producing an oxidation and hot gas corrosion protection layer by galvanic dispersion coating.
- Turbine blades are exposed to high temperature and vibration loads as well as oxidation and corrosion attacks by process gases. They are often made from super alloys based on nickel, iron or cobalt.
- a number of protective layers have been proposed to increase the service life or to increase the operating temperature. The known protective layers are applied in the diffusion process (alitation or chrome plating) or plasma spraying process.
- REPLACEMENT LEAF heat treatment is generated. It has been shown that the use of silicon and titanium as a mixture in the course of the heat treatment leads to a certain diffusion into the matrix consisting of nickel or cobalt, but that the diffusion layer produced thereby does not achieve a sufficient protective effect, so that at high temperatures the base material to be protected is nevertheless oxidized. In the aforementioned publication it is also proposed to use a mixture of tantalum silicide and nickel silicide as protective oxide-forming elements. However, the galvanic deposition of two silicides has the disadvantage that the dispersion bath must be constantly checked and supplemented in order to keep the quantitative ratio of the two silicides to one another constant. For this reason, the method is difficult to carry out in practice.
- TiSi2 particles in the form of a powder are introduced into a Co- or Ni-containing electrolyte solution (e.g. aqueous solution of C0S04, which contains NaCl and H3BO3).
- the grain size of the TiSi 2 particles is in the range from 0.5 to 50 ⁇ m, preferably from 2 to 5 ⁇ m.
- the amount introduced is in the range from 100 to 500 grams per liter of the electrolyte solution, preferably 200 to 300 grams per liter.
- the particles are kept in suspension in the electrolyte by introducing air and moving the bath.
- a cobalt layer is deposited into which about 20 to 30 percent by volume TiSi2 ⁇ Particles - homogeneously distributed - are installed. Possible layer thicknesses are between 10 and 1000 micrometers.
- FIG. 1 of the drawing shows such a dispersion layer applied to a workpiece made of a cobalt alloy in a 500-fold magnification.
- the base substrate (cobalt alloy), which appears bright in the picture, is designated by (1).
- the TiSi2 particles (3) are embedded in a matrix (2) made of cobalt. The background of the image appears dark.
- heat treatment is carried out at temperatures from 700 to 950 ° C. for a period of time which is 24 hours for the lower temperature limit and one hour for the upper one, and from temperatures of 750 ° C. upwards is carried out in a non-oxidizing atmosphere or in a vacuum in order to form an oxidation layer of the cobalt
- REPLACEMENT LEAF to prevent or keep the matrix low before a sufficient diffusion process has taken place between the TiSi 2 particles and the cobalt matrix.
- FIG. 2 of the drawing shows the coated body according to FIG. 1 after a heat treatment at a temperature of 950 ° C. in a vacuum for a period of 1 hour.
- the elements titanium and silicon can be alloyed in one step, which cannot be achieved with other methods.
- the cobalt-titanium-silicon layer produced in this way shows good properties with regard to oxidation resistance and hot gas corrosion protection.
- the use of this protective layer on turbine blades or guide blades is very advantageous.
- the layer can replace the cobalt matrix
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Description
Verfahren zur Herstellung von Oxidations- und HeißgaskorrosionsSchutzschichten
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Oxidations- und Heißgaskorrosionsschutzschicht durch gal¬ vanische Dispersionsbeschichtung.
Bauteile von thermischen Turbomaschinen, wie z. B. Turbinen- schaufeln sind neben hohen Temperatur- und Schwingbelastun- gen auch Oxidations- und Korrosionsangriffen von Proze߬ gasen ausgesetzt. Sie werden häufig aus Superlegierungen auf Nickel-, Eisen- oder Kobaltbasis hergestellt. Zur Erhöhung der Lebensdauer oder zur Erhöhung der Betriebstemperatur wurden eine Reihe von Schutzschichten vorgeschlagen. Die bekannten Schutzschichten werden im Diffusionsverfahren (Alitierung oder Chromierung) oder Plasmaspritzverfahren aufgebracht.
Aus der DE-OS 26 49 388 ist eine Korrosionsschutzschicht für warmfeste Legierungen bekannt, die durch galvanische Dispersionsabscheidung einer Mischung aus Silizium und Titan aus einem Kobalt- oder Nickelbad und durch nachfolgend
ERSATZBLATT
ärmebehandlung erzeugt ist. Es hat sich gezeigt, daß die Verwendung von Silizium und Titan als Mischung im Rahmen der Wärmebehandlung zwar zu einer gewissen Diffusion in die aus Nickel oder Kobalt bestehende Matrix führt, daß aber die hierdurch erzeugte Diffusionsschicht keine ausreichende Schutzwirkung erreicht, so daß bei hohen Temperaturen der zu schützende Grundwerkstoff dennoch oxidiert. In der vorgenannten Druckschrift wird auch vorgeschlagen, als schutzoxidbildende Elemente eine Mischung aus Tantalsilicid und Nickelsilicid zu ver¬ wenden. Die galvanische Abscheidung von zwei Siliciden hat jedoch den Nachteil, daß das Dispersionsbad ständig kontrollie und ergänzt werden muß, um das Mengenverhältnis der beiden Silicide zueinander konstant zu halten. Aus diesem Grund ist das Verfahren in der Praxis schwierig durchzuführen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung einer Oxidations- und Heißgaskorrosionsschutz¬ schicht durch galvanische Dispersionsbeschichtung anzugeben, welches bei geringem verfahrenstechnischem Aufwand eine selbs bei hohen Temperaturen oxidations- und korrosionssichere Barriere ergibt.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Erreicht wird hiermit ein sehr guter Schutz und eine gute Anwendungsmöglichkeit für Verbrennungskraftmaschinen, z. B. im Verdichter oder Turbinenbereich von Gasturbinentriebwerken, aber auch in Kolbenmotoren, besonders an Teilen wie Ventilen, Kolben, Zylinder, Laufbüchsen, Ringen, Kolbenstangen etc., insbesondere für Vielstoffmotoren oder zur Verbrennung sog. alternativer Brennstoffe einschließlich Kohlenstaub.
ERSATZBLATT
Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens wird nachfolgend beschrieben:
In eine Co- oder Ni-haltige Elektrolytlösung (z. B. wässrige Lösung aus C0S04, welche NaCl und H3BO3 enthält) werden TiSi2~Partikel in Form eines Pulvers eingebracht. Die Korn¬ größe der TiSi2~Partikel liegt im Bereich von 0,5 bis 50 μm, vorzugsweise von 2 bis 5 μm. Die eingebrachte Menge liegt im Bereich von 100 bis 500 Gramm pro Liter der Elektrolyt¬ lösung, vorzugsweise 200 bis 300 Gramm pro Liter. Die Partikel werden im Elektrolyten mittels Lufteinbringung und Badbewegung in Schwebe gehalten. Bei Anlegen von Gleich¬ strom zwischen 1 und 10 Ampere pro dm2 vorzugsweise zwischen 2 und 7 Ampere pro dm2 und Polung des Bauteils (Oberfläche, Funktionsfläche) als Kathode, wird eine Kobaltschicht abge¬ schieden, in die etwa 20 bis 30 Volumenprozent TiSi2~Partike - homogen verteilt - eingebaut sind. Mögliche Schichtdicken liegen zwischen 10 und 1000 Mikrometer.
In Fig. 1 der Zeichnung ist in 500facher Vergrößerung eine solche auf einem Werkstück aus einer Kobaltlegierung aufgetragene Dispersionsschicht dargestellt. Das im Bild hell erscheinende Grundsubstrat (Kobaltlegierung) ist mit (1) bezeichnet. Die TiSi2~Partikel (3) sind in einer Matrix (2) aus Kobalt eingelagert. Der Bildhintergrund er¬ scheint dunkel.
Nach dem Aufbringen dieser Dispersionsschicht erfolgt eine Wärmebehandlung bei Temperaturen von 700 bis 950 °C, während einer Zeitdauer, die für die untere Temperatur¬ grenze bei 24 Stunden, für die obere bei einer Stunde liegt, bei ab Temperaturen von 750 °C aufwärts die Wärmebehandlung in nicht oxidierender Atmosphäre oder im Vakuum durchgeführt wird, um die Ausbildung einer Oxidationεschicht der Kobalt-
ERSATZBLATT
matrix zu verhindern, bzw. gering zu halten, bevor ein aus¬ reichender Diffusionsprozeß zwischen den TiSi2~Partikeln und der Kobaltmatrix stattgefunden hat.
5
Fig. 2 der Zeichnung zeigt den beschichteten Körper gemäß Fig. 1 nach einer Wärmebehandlung bei einer Temperatur von 950 °C im Vakuum während einer Dauer von 1 Stunde.
Die aufgebrachte Dispersionsschicht aus der Kobaltmatrix (2)
•^0 und den iSi2-Partikeln ist durch die Wärmebehandlung in der Weise verändert, daß sich eine Deckschicht aus Kobalt¬ oxid und darunterliegende dünne Schichten aus Silizium¬ oxid (5) und Titanoxid (4) gebildet haben und die Titan- silicidpartikel (3) sich teilweise aufgelöst haben,
, c Diffusion von Titan und Silizium in die umgebende Kobaltmatri und durch Diffusion von Kobalt aus der Matrix in die TiSi2~ Partikel. Die entstandene DiffusionsSchich bildet eine hervo ragende Barriere gegen Oxidation bzw. Korrosion durch schwefe haltige Salzverbindungen des Grundwerkstoffs.
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Durch das erfindungsgemäße Verfahren können die Elemente Titan und Silizium in einem Schritt einlegiert werden, was mit anderen Verfahren nicht erreichbar ist.
25 Die so hergestellte Kobalt-Titan-Silizium-Schicht zeigt gute Eingeschaften hinsichtlich Oxidationsbeständigkeit und Heißgaskorrosionsschutz. Die Verwendung dieser Schutz¬ schicht an Turbinenlaufschaufeln oder Leitschaufeln ist sehr vorteilhaft. Die Schicht kann anstelle der Kobaltmatrix
30 eine Nickelmatrix enthalten.
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ERSATZBLATT
Claims
P a t e n t a n s p r ü c h e
Verfahren zur Herstellung einer Oxidations- und Hei߬ gaskorrosionsschutzschicht durch galvanische Dispersions- beschichtung, dadurch gekennzeichnet, daß das Dispersat eine kob.-lt- oder nickelhaltige Elektrolytlösung ist, in welcher Titansilicid in Partikelform enthalten ist und daß nach dem Aufbringen der Dispersionsschicht eine Wärmebehandlung bei Temperaturen von 700 - 950 °C und einer den Temperaturgrenzen entsprechenden Zeit¬ dauer von 24 - 1 Stunde durchgeführt wird, wobei ab Temperaturen von 750 °C die Wärmebehandlung in nicht oxidierender Atmosphäre oder im Vakuum stattfindet.
Verfahren zur Herstellung einer Oxidations- und Hei߬ gaskorrosionsschutzschicht nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Korngröße der Titan-Silicid- Partikel im Bereich zwischen 0,5 bis 50 Mikrometer, vorzugsweise im Bereich zwischen 1 und 5 Mikrometer, liegt.
3. Verf hren zur Herstellung einer Oxidations- und Hei߬ gasschutzschicht nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge¬ kennzeichnet, daß die eingebrachte Menge der Titan¬ en Silicid-Partikel im Bereich zwischen 100 und 500 Gramm pro Liter, vorzugsweise 200 bis 300 Gramm pro Liter, liegt.
4. Verfahren zur Herstellung einer Oxidations- und Heiß- Q gaskorrosionsschutzschicht nach einem der vorhergehen¬ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Abscheidung ein Gleichstrom zwischen 1 und 10 Ampere pro dm2 angelegt wird.
,- 5 Oxidations- und Heißgaskorrosionsschutzschicht auf einem Substrat aus Nickel-, Eisen- oder Kobalt-Basislegierung mit einer Matrix aus Kobalt oder Nickel, dadurch ge¬ kennzeichnet, daß in der Matrix 20 - 30 Volumen-% Titansilicid ( iSi2_ Partikel eingelagert sind, wobei die Titansilicidpartikel teilweise aufgelöst sind durch Diffusion von Titan und Silizium in die umgebende Co- oder Ni-Matrix und des Matrixwerkstoffs in die Titan¬ silicidpartikel.
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ERSATZBLATT
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