EP1088907A1 - Verfahren zum Herstellen einer Panzerung für ein metallisches Bauteil - Google Patents

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EP1088907A1
EP1088907A1 EP00120803A EP00120803A EP1088907A1 EP 1088907 A1 EP1088907 A1 EP 1088907A1 EP 00120803 A EP00120803 A EP 00120803A EP 00120803 A EP00120803 A EP 00120803A EP 1088907 A1 EP1088907 A1 EP 1088907A1
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EP
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slip
powder
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hard particles
layer
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Thomas Dr. Cosack
Gerhard Wydra
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    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
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    • C23C10/28—Solid state diffusion of only metal elements or silicon into metallic material surfaces using solids, e.g. powders, pastes
    • C23C10/34—Embedding in a powder mixture, i.e. pack cementation
    • C23C10/52—Embedding in a powder mixture, i.e. pack cementation more than one element being diffused in one step
    • C23C10/54—Diffusion of at least chromium
    • C23C10/56—Diffusion of at least chromium and at least aluminium
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C23C10/28—Solid state diffusion of only metal elements or silicon into metallic material surfaces using solids, e.g. powders, pastes
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    • C23C10/52—Embedding in a powder mixture, i.e. pack cementation more than one element being diffused in one step

Definitions

  • the invention relates to a method for producing an armor for a metallic Component that is provided on its surface.
  • Armorings or brushed coverings are e.g. on engine components, e.g. Sealing tips of labyrinth seals or blade tips, provided to their To counteract processing during brushing operations during operation. Since the Efficiency of a compressor or turbine largely depends on the gap size depends between the rotating and the standing component, it will be with increasing processing, e.g. the blade tips, reduced.
  • the armor usually works its way into an intake lining when the engine is operating an opposite, second component.
  • Such run-in coverings are abradable and mostly consist of a corrosion and erosion-resistant layer. Armoring of the engine component is particularly necessary if the Strength and hardness of the run-in coatings to increase erosion and temperature resistance is increased and the processing of the engine components additionally reinforced.
  • the armor ensures that the brushing process is minimal Gap is formed between the armor and the intake coating.
  • an MCrAlY powder is used applied by galvanic application to the component to be armored, whereby the necessary hard particles in the bath, e.g. BN, are included.
  • This Particles are etched free after application.
  • Such a process is expensive and complex.
  • the subsequent etching is due to the lack Environmental compatibility and the necessary covering of the component disadvantageous.
  • a contour adapted to the component contour is used
  • the solder foil is attached to the component by gluing or the like.
  • BN particles are in the solder foil inserted.
  • the solder foil is then melted by heat treatment and the BN particles embedded in it.
  • This procedure is also proportional expensive and complex.
  • the connection between the particles and the component is insufficient.
  • JP 55-82765 A it is known that consisting of a Ni or Co base alloy Substrate first with a mixture of ceramic, aluminum and metal powder to coat to ensure the heat resistance of the long-term high temperature exposure Improve layer. This is followed by a layer of one with one Binder-provided Ni powder, a heat treatment and an alitation by a Packing process.
  • the first layer should consist of the mixture containing ceramics prevent Al from penetrating into the substrate from the layer and hence the layer due to the depletion of Al their heat resistance is reduced.
  • JP 55-082759 A discloses a method for improving the thermal resistance a coating that is based on a substrate made of a Ni or Co-based alloy is applied, wherein during coating a metal or an alloy powder mixed with ceramic elements and then applied to the substrate becomes. A binder and a subsequent heat treatment can be used be performed. The method is used for components of e.g. Gas turbines used, which are exposed to hot gas corrosion.
  • the object of the present invention is a method for manufacturing to create an armor of the type described at the outset, which can be manufactured can be carried out as easily as possible and high-quality armor results.
  • the solution to this problem is characterized according to the invention by the steps: Prepare a slip by mixing a binder solution with an Al and / or Cr containing starting powder and at least one element Addition powder comprising Al, Pt, Pd or Si, the addition powder being at a starting powder containing Al only does not include Al; Apply the slip on the surface to be armored; Add ceramic hard particles to the slip before or after application of the slip, the size of which is chosen so that they protrude over the layer after heat treatment; Drying the slip layer at a temperature from room temperature to 450 ° C; and heat treatment the slip layer at temperatures from 750 ° to 1250 °.
  • the advantage of this method is that the armor with a manufacturing technology simple processes can be applied to the component. Also are the ceramic hard particles securely embedded in the slip layer and with the Component firmly connected.
  • the hard particles are Slurry mixed before application to the surface to be armored. To this The particles are uniform in the slurry in suspension distributed.
  • the hard particles are deposited in the slip layer is used, e.g. a special arrangement of the particles can be achieved on the surface to be armored.
  • Hard particles made of BN, SiC or Al 2 O 3 are preferably used, since they are harder than the slip layer and can cut into inlet linings or the like during operation.
  • the starting powder consists of MCrAlY, the starting powder - like the added powder - preferably in a grain size distribution of 5 up to 120 ⁇ m.
  • the M stands for at least one of the elements Ni or Co. Instead of Y, Hf or Ce can also be used.
  • the slip is applied to the surface of the component to be armored preferably by spraying, brushing or dipping, which means that the process is manufacturing-related can be carried out easily and inexpensively.
  • spraying, brushing or dipping which means that the process is manufacturing-related can be carried out easily and inexpensively.
  • Layers can be applied locally in a simple manner, even geometrically apply complicated components. In addition, they are not expensive and complex Spraying or evaporation systems required.
  • the slip layer is in protective gas, e.g. in argon, or in Vacuum is heat treated, heat treating the layer over 1-4 Hours, preferably over about 2 hours, is performed to the slip layer to connect with the component and the hard particles via diffusion.
  • protective gas e.g. in argon, or in Vacuum is heat treated, heat treating the layer over 1-4 Hours, preferably over about 2 hours, is performed to the slip layer to connect with the component and the hard particles via diffusion.
  • the metallic component preferably consists of an alloy based on nickel or cobalt, the component being engine-ready, e.g. a turbine blade can, the armor is applied to the tip of the blade.
  • the addition powder preferably makes up up to 35% by weight of the total weight of starting and addition powder.
  • an MCrAlY powder with an added powder mixed to a suspension with a conventional inorganic binder In the The suspension contains 5-10% by weight of the binder and additionally 5-7% water % By weight.
  • the grain sizes of the powder particles are between 5 and 120 ⁇ m.
  • BN particles In this flowable and sprayable mass is introduced BN particles, their size lies above that of the powder particles.
  • the blade tip of a turbine blade is made into a mass Nickel-based alloy immersed in such a way that on the to be armored Blade tip forms a slip layer.
  • the one containing the particles could Slip e.g. also with a brush, forming a layer on the tip of the blade be applied.
  • the dried slip layer is then at 1000 ° C for about 2 hours in a vacuum heat treated to bond the slip layer to the material of the Turbine blade and with the hard particles to achieve by diffusion. Sintering the MCrAlY particles present in spherical form at least partially together. In addition, Ni can also escape from the base material and into the slip layer diffuse. After the heat treatment, the ceramic hard particles stand from BN or the like to the outside over the slip layer and can and protect the blade tip during operation.
  • the BN particles are firmly connected to the blade tip via the slip layer and can collide with one another when the gas turbine is in operation Cut in the run-in covering to prevent damage to prevent the blade tip and the gap size between the rotating and to keep the standing component as low as possible.

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Abstract

Herstellen eines Schlickers durch Mischen einer Bindemittellösung mit einem Al und/oder Cr enthaltenden Ausgangspulver und einem zumindest Al, Pt, Pd oder Si enthaltenden Zugabepulver; Auftragen des Schlickers auf das Bauteil; Zugabe keramischer Hartpartikel vor oder nach dem Auftragen, welche nach dem Wärmebehandeln über die Schicht vorstehen; Trocknen der Schlickerschicht; Wärmebehandeln der Schlickerschicht.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Panzerung für ein metallisches Bauteil, die auf dessen Oberfläche vorgesehen wird.
Panzerungen bzw. Anstreifbeläge werden z.B. an Triebwerksbauteilen, wie z.B. Dichtungsspitzen von Labyrinthdichtungen oder Schaufelspitzen, vorgesehen, um deren Abarbeitung bei Anstreifvorgängen während des Betriebs entgegenzuwirken. Da der Wirkungsgrad eines Verdichters oder einer Turbine in hohem Maße von der Spaltgröße zwischen dem rotierenden und dem stehenden Bauteil abhängt, wird er mit zunehmender Abarbeitung, z.B. der Schaufelspitzen, vermindert.
Die Panzerung arbeitet sich beim Betrieb des Triebwerks üblicherweise in einen Einlaufbelag eines gegenüberliegenden, zweiten Bauteils ein. Derartige Einlaufbeläge sind abreibbar und bestehen meist aus einer korrosions- und erosionsfesten Schicht. Eine Panzerung des Triebwerksbauteils ist insbesondere dann erforderlich, wenn die Festigkeit und Härte der Einlaufbeläge zur Steigerung der Erosions- und Temperaturbeständigkeit erhöht wird und sich die Abarbeitung der Triebwerksbauteile zusätzlich verstärkt. Durch die Panzerung wird erreicht, daß beim Anstreifvorgang ein minimaler Spalt zwischen der Panzerung und dem Einlaufbelag gebildet wird.
Bei einem bekannten Verfahren zum Herstellen einer Panzerung wird ein MCrAlY-Pulver durch galvanisches Auftragen auf das zu panzernde Bauteil aufgebracht, wobei in dem Bad die erforderlichen harten Partikel, wie z.B. BN, enthalten sind. Diese Partikel werden nach dem Auftragen freigeätzt. Ein solches Verfahren ist teuer und aufwendig. Insbesondere das anschließende Ätzen ist aufgrund der mangelnden Umweltverträglichkeit und dem erforderlichen Abdecken des Bauteils nachteilig.
Bei einem anderen bekannten Verfahren wird eine an die Bauteilkontur angepaßte Lotfolie durch Kleben od dgl. an dem Bauteil befestigt. Danach werden BN-Partikel in die Lotfolie eingesetzt. Anschließend wird die Lotfolie durch Wärmebehandlung geschmolzen und die BN-Partikel darin eingebettet. Auch dieses Verfahren ist verhältnismäßig teuer und aufwendig. Zudem ist die Verbindung zwischen den Partikeln und dem Bauteil unzureichend.
Aus der JP 55-82765 A ist es bekannt, das aus einer Ni- oder Co-Basislegierung bestehende Substrat zunächst mit einer Mischung aus Keramik-, Al- und Metallpulver zu beschichten, um die Wärmebeständigkeit der langandauernd hochtemperaturbelasteten Schicht zu verbessern. Anschließend folgt eine Schicht aus einem mit einem Binder versehenen Ni-Pulver, eine Wärmebehandlung und ein Alitieren durch ein Packverfahren. Dabei soll die erste Schicht aus der Keramik enthaltenden Mischung verhindern, daß Al von der Schicht in das Substrat eindringt und die Schicht mithin durch die Verarmung von Al ihre Wärmebeständigkeit einbüßt.
Die JP 55-082759 A offenbart ein Verfahren zur Verbesserung der thermischen Beständigkeit einer Beschichtung, die auf ein Substrat aus einer Ni- oder Co-Basislegierung aufgebracht wird, wobei beim Beschichten ein Metall- oder ein Legierungspulver mit Keramikelementen gemischt und dann auf das Substrat aufgebracht wird. Es kann ein Bindemittel eingesetzt und eine anschließende Wärmebehandlung durchgeführt werden. Das Verfahren wird bei Bauteilen von z.B. Gasturbinen eingesetzt, die der Heißgaskorrosion ausgesetzt sind.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum Herstellen einer Panzerung der eingangs beschriebenen Gattung zu schaffen, das sich fertigungstechnisch möglichst einfach durchführen läßt und eine hochwertige Panzerung ergibt.
Die Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die Schritte gekennzeichnet: Herstellen eines Schlickers durch Mischen einer Bindemittellösung mit einem Al und/oder Cr enthaltenden Ausgangspulver und einem wenigstens ein Element aus Al, Pt, Pd oder Si umfassenden Zugabepulver, wobei das Zugabepulver bei einem ausschließlich Al enthaltenden Ausgangspulver kein Al umfaßt; Auftragen des Schlickers auf die zu panzernde Oberfläche; Zugabe keramischer Hartpartikel zum Schlicker vor oder nach dem Auftragen des Schlickers, deren Größe so gewählt wird, daß sie nach dem Wärmebehandeln über die Schicht vorstehen; Trocknen der Schlickerschicht bei einer Temperatur von Raumtemperatur bis 450 °C; und Wärmebehandeln der Schlickerschicht bei Temperaturen von 750° bis 1250°.
Der Vorteil dieses Verfahrens liegt darin, daß die Panzerung mit einem fertigungstechnisch einfachen Verfahren auf das Bauteil aufgebracht werden kann. Zudem sind die keramischen Hartpartikel in der Schlickerschicht sicher eingebettet und mit dem Bauteil fest verbunden.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens werden die Hartpartikel dem Schlicker vor dem Auftragen auf die zu panzernde Oberfläche zugemischt. Auf diese Weise sind die Partikel in dem in einer Suspension vorliegenden Schlicker gleichmäßig verteilt.
In einer alternativen Ausgestaltung werden die Hartpartikel nach dem Auftragen in die Schlickerschicht eingesetzt, wodurch sich z.B. eine spezielle Anordnung der Partikel auf der zu panzernden Oberfläche erzielen läßt.
Bevorzugt werden Hartpartikel aus BN, SiC oder Al2O3 verwendet, da diese härter als die Schlickerschicht sind und sich beim Betrieb in Einlaufbeläge od. dgl. einschneiden können.
Ferner ist bevorzugt, daß das Ausgangspulver aus MCrAlY besteht, wobei das Ausgangspulver - wie das Zugabepulver - bevorzugt in einer Korngrößenverteilung von 5 bis 120 µm vorliegt. Das M steht dabei für wenigstens eines der Elemente Ni oder Co. Anstelle von Y kann auch Hf oder Ce verwendet werden.
Das Auftragen des Schlickers auf die zu panzernde Oberfläche des Bauteils erfolgt bevorzugt durch Spritzen, Pinseln oder Tauchen, wodurch sich das Verfahren fertigungstechnisch einfach und kostengünstig durchführen läßt. Durch diese Art des Auftragens lassen sich auf einfache Weise lokal begrenzte Schichten auch auf geometrisch komplizierten Bauteilen aufbringen. Zudem sind keine teuren und aufwendigen Spritz- oder Verdampfungsanlagen erforderlich.
Bevorzugt wird das Trocknen des Schlickers, der zusammen mit dem organischen oder anorganischen Bindemittel in einer Suspension vorliegt, über 0,5 - 4 Stunden durchgeführt, wobei sich eine Dauer von 1 - 2 Stunden als besonders vorteilhaft erwiesen hat.
Bevorzugt ist ferner, daß die Schlickerschicht in Schutzgas, z.B. in Argon, oder im Vakuum wärmebehandelt wird, wobei das Wärmebehandeln der Schicht über 1 - 4 Stunden, bevorzugt über etwa 2 Stunden, durchgeführt wird, um die Schlickerschicht mit dem Bauteil und den Hartpartikeln über Diffusion zu verbinden.
Bevorzugt besteht das metallische Bauteil aus einer Legierung auf Nickel- oder Kobaltbasis, wobei das Bauteil ein Triebwerksbauteit, z.B. eine Turbinenschaufel, sein kann, auf deren Schaufelspitze die Panzerung aufgebracht wird.
Bevorzugt macht das Zugabepulver bis zu 35 Gew.-% des Gesamtgewichts aus Ausgangs- und Zugabepulver aus.
Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Beispiels näher erläutert.
Bei einer Ausgestaltung des Verfahrens zum Herstellen einer Panzerung wird zunächst zur Herstellung eines Schlickers ein MCrAlY-Pulver mit einem Zugabepulver zu einer Suspension mit einem üblichen anorganischen Bindemittel gemischt. In der Suspension liegt das Bindemittel mit 5 - 10 Gew.-% und zusätzlich Wasser mit 5 - 7 Gew.-% vor. Die Korngrößen der Pulverpartikel liegen zwischen 5 und 120 µm. In diese fließfähige und spritzbare Masse werden BN-Partikel eingebracht, deren Größe über jener der Pulverpartikel liegt.
In die Masse wird anschließend die Schaufelspitze einer Turbinenschaufel aus einer Nickelbasislegierung in der Weise eingetaucht, daß sich auf der zu panzernden Schaufelspitze eine Schlickerschicht bildet. Alternativ könnte der die Partikel enthaltende Schlicker z.B. auch mit einem Pinsel unter Bildung einer Schicht auf die Schaufelspitze aufgetragen werden. Im nächsten Schritt wird der in einer Suspension vorliegende, noch feuchte Schlicker bzw. die Schlickerschicht bei Raumtemperatur über etwa 1,5 Stunden getrocknet.
Die getrocknete Schlickerschicht wird dann bei 1000 °C etwa 2 Stunden im Vakuum wärmebehandelt, um eine Verbindung der Schlickerschicht mit dem Werkstoff der Turbinenschaufel und mit den Hartpartikeln durch Diffusion zu erzielen. Dabei sintern die in kugliger Form vorliegenden MCrAlY-Partikel wenigstens teilweise zusammen. Darüber hinaus kann auch Ni aus dem Grundwerkstoff austreten und in die Schlickerschicht diffundieren. Nach dem Wärmebehandeln stehen die keramischen Hartpartikel aus BN od. dgl. nach außen über die Schlickerschicht vor und können diese sowie die Schaufelspitze beim Betrieb schützen.
Die BN-Partikel sind über die Schlickerschicht fest mit der Schaufelspitze verbunden und können sich während des Betriebs der Gasturbine beim Anstreifen in einen gegenüberliegenden Einlaufbelag einschneiden, um auf diese Weise eine Beschädigung der Schaufelspitze zu verhindern und die Spaltgröße zwischen dem rotierenden und dem stehenden Bauteil möglichst gering zu halten.

Claims (13)

  1. Verfahren zum Herstellen einer Panzerung für ein metallisches Bauteil, die auf dessen Oberfläche vorgesehen wird, gekennzeichnet durch die Schritte: Herstellen eines Schlickers durch Mischen einer Bindemittellösung mit einem Al und/oder Cr enthaltenden Ausgangspulver und einem wenigstens ein Element aus Al, Pt, Pd oder Si umfassenden Zugabepulver, wobei das Zugabepulver bei einem ausschließlich Al enthaltenden Ausgangspulver kein Al umfaßt; Auftragen des Schlickers auf die zu panzernde Oberfläche; Zugabe keramischer Hartpartikel zum Schlicker vor oder nach dem Auftragen des Schlickers, deren Größe so gewählt wird, daß sie nach dem Wärmebehandeln über die Schicht vorstehen; Trocknen der Schlickerschicht bei einer Temperatur von Raumtemperatur bis 450 °C; und Wärmebehandeln der Schlickerschicht bei Temperaturen von 750° bis 1250°C.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hartpartikel dem Schlicker vor dem Auftragen zugemischt werden.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hartpartikel nach dem Auftragen in die Schlickerschicht eingesetzt werden.
  4. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Hartpartikel aus BN, SiC oder Al2O3 verwendet werden.
  5. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangspulver aus MCrAlY besteht, wobei M für Ni, für Co oder für eine Kombination aus Ni und Co steht.
  6. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Pulver jeweils eine Korngrößenverteilung von 5 bis 120 µm aufweisen.
  7. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Auftragen des Schlickers durch Spritzen, Pinseln oder Tauchen durchgeführt wird.
  8. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Trocknen der Schlickerschicht über 0,5 - 4 Stunden durchgeführt wird.
  9. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlickerschicht in Schutzgas, z.B. in Argon, oder im Vakuum wärmebehandelt wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmebehandeln über 1 bis 4 Stunden durchgeführt wird, vorzugsweise über etwa 2 Stunden.
  11. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauteil aus einer Legierung auf Nickel- oder Kobaltbasis besteht.
  12. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauteil eine Turbinenschaufel ist, auf deren Schaufelspitze die Panzerung vorgesehen wird.
  13. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Zugabepulver bis zu 35 Gew.-% des Gesamtgewichts aus Ausgangs- und Zugabepulver ausmacht.
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