EP1097249A1 - Verfahren zum herstellen einer panzerung für ein metallisches bauteil - Google Patents

Verfahren zum herstellen einer panzerung für ein metallisches bauteil

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EP1097249A1
EP1097249A1 EP99939334A EP99939334A EP1097249A1 EP 1097249 A1 EP1097249 A1 EP 1097249A1 EP 99939334 A EP99939334 A EP 99939334A EP 99939334 A EP99939334 A EP 99939334A EP 1097249 A1 EP1097249 A1 EP 1097249A1
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EP
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slip
particles
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layer
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Gerhard Wydra
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MTU Aero Engines AG
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MTU Aero Engines GmbH
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • 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
    • C23C10/00—Solid state diffusion of only metal elements or silicon into metallic material surfaces
    • C23C10/18—Solid state diffusion of only metal elements or silicon into metallic material surfaces using liquids, e.g. salt baths, liquid suspensions
    • C23C10/26—Solid state diffusion of only metal elements or silicon into metallic material surfaces using liquids, e.g. salt baths, liquid suspensions more than one element being diffused

Definitions

  • the invention relates to a method for producing armoring for a metallic component which is provided on the surface thereof.
  • Armouring or brushing contributions are e.g. on engine components, e.g. Sealing tips of labyrinth seals or blade tips, intended to counteract their processing during brushing operations during operation. Since the efficiency of a compressor or a turbine depends to a large extent on the gap size between the rotating and the stationary component, it is increased with increasing processing, e.g. the blade tips, reduced.
  • the armor usually works itself into an inlet lining of an opposing, second component during operation of the engine.
  • Such run-in coverings can be rubbed off and usually consist of a corrosion and erosion-resistant layer.
  • Armoring of the engine component is particularly necessary if the strength and hardness of the inlet linings are increased to increase the erosion and temperature resistance and the processing of the engine components is additionally increased.
  • the armor ensures that a minimal gap is formed between the armor and the run-in coating during the brushing process.
  • an MCrAlY powder is applied to the component to be armored by galvanic application, w c- in the bath the necessary hard particles, such as e.g. BN, are included. These particles are etched free after application. Such a process is expensive and complex. The subsequent etching in particular is disadvantageous due to the lack of environmental compatibility and the necessary covering of the material.
  • a solder foil adapted to the component contour is attached to the component by gluing or the like. Then BN particles are inserted into the solder foil. The solder foil is then melted by heat treatment and the BN particles embedded therein. This procedure is also reasonably expensive and complex. In addition, the connection between the particles and the component is insufficient.
  • JP 55-82765 A it is known to first coat the substrate consisting of a Ni or Co-based alloy with a mixture of ceramic, Al and metal powder in order to improve the heat resistance of the long-term exposure to high temperature . This is followed by a layer of a Ni powder provided with a binder, a heat treatment and the alitation by a packing process.
  • the first layer of the ceramic-containing mixture is intended to prevent Al from penetrating into the substrate from the layer and the layer consequently losing its heat resistance due to the depletion of Al.
  • JP 55-082759 A discloses a method for improving the thermal resistance of a coating which is applied to a substrate made of a Ni or Co-based alloy, a metal or alloy powder being mixed with ceramic elements during coating and then applied the substrate is applied.
  • a binder can be used and a subsequent heat treatment can be carried out.
  • 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 to provide a method for producing armor of the type described at the outset, which can be carried out as simply as possible in terms of production technology and results in high-quality armor.
  • This object is achieved according to the invention by the steps: producing a slip by mixing a powder containing at least one of the elements Ni or Cr or Ce with a binder; Applying the slip to the surface to be armored; Adding ceramic hard particles to the slip before or after applying the slip, the size of which is selected so that it protrudes over the layer after the alitation; Drying the slip at a temperature from room temperature to 300 ° C; and alitizing the slip layer.
  • the advantage of this method is that the armor can be applied to the component using a simple manufacturing process.
  • the hard, ceramic particles are embedded in the slip layer, which has a void fraction of 0 to 40%, and are firmly connected to the component.
  • the particles are mixed into the slurry before being applied to the surface to be armored. In this way, the particles are evenly distributed in the slurry present in a suspension.
  • the particles are inserted into the slip after application, which means e.g. can achieve a special arrangement of the particles on the surface to be armored.
  • Particles of BN, SiC or ALO are preferably used, since they are harder than the slip layer and can cut into run-in coatings or the like during operation.
  • the slip is made from a powder of MCrAIY, the powder preferably being in a grain size distribution of 5 to 120 ⁇ m.
  • the M stands for at least one of the elements Ni, Co, Pt or Pd. Instead of Y, Hf or Ce can also be used.
  • the slip is preferably applied to the surface of the component to be armored by spraying, brushing or dipping, as a result of which the process can be carried out easily and inexpensively in terms of production technology.
  • spraying brushing or dipping
  • locally delimited layers can also be applied in a simple manner to geometrically complex components.
  • no expensive and complex spraying or evaporation systems are required
  • Drying of the slip, which is present in a suspension together with the organic or inorganic binder, is preferred for 0.5-4 hours carried out, a duration of 1 - 2 hours has proven to be particularly advantageous.
  • the slip layer is heat-treated at a temperature of 750 to 1200 ° C. in argon or vacuum, the heat treatment of the layer preferably being carried out for 1-4 hours in order to connect the slip layer to the component by diffusion.
  • the final step of alitizing the layer is carried out at a temperature between 800 and 1200 ° C. and for a period of 1-12 hours.
  • the metallic component preferably consists of an alloy based on nickel or cobalt, the component being an engine component, e.g. a turbine blade, the armor is applied to the tip of the blade.
  • an MCrAlY powder is first mixed into a suspension with a customary inorganic binder to produce a slip.
  • the MCrAlY powder is present in the suspension with 80-90% by weight, the binder with 5-10% by weight and additionally water with 5-7% by weight.
  • the grain sizes of the particles of the MCrAlY powder are between 5 and 120 ⁇ m.
  • BN particles with a size larger than that of the MCrAlY powder particles are introduced into this flowable and sprayable mass.
  • the blade tip of a turbine blade made of a nickel-based alloy is then immersed in the mass in such a way that a slip layer forms on the blade tip to be armored.
  • the slip containing the particles could also be applied, for example, with a brush to form a layer on the Blade tip to be applied.
  • the still moist slurry or the slip layer present in a suspension is dried at room temperature for about 1.5 hours.
  • the dried slip layer is then heat-treated in a vacuum at 1000 ° C. for 1 hour in order to achieve a bond between the slip layer and the material of the turbine blade by diffusion. Subsequently, the layer is alitated at about 1,100 ° C. for 4 hours using a conventional method in order to further strengthen the connection of the engine blade by diffusion and to compact the slip layer.
  • AI penetrates the layer and the base material of the turbine blade and ensures both a firm connection of the layer with the component and a firm connection of the spherical MCrAlY particles with each other.
  • the spherical MCrAlY particles sinter together at least partially.
  • Ni can also escape from the base material and diffuse into the slip layer.
  • the hard, ceramic particles of BN or the like protrude outward beyond the slip layer and can protect them and the blade tip during operation.
  • the BN particles are firmly connected to the blade tip via the slip layer and can cut into an opposing inlet lining during the operation of the gas turbine, in order to prevent damage to the blade tip and the gap size between the rotating and the stationary component as far as possible to keep low.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Panzerung für ein metallisches Bauteil, wie z.B. eine Schaufelspitze einer Turbinenschaufel, die auf dessen zu panzernden Oberfläche vorgesehen wird, wobei das Verfahren fertigungstechnisch einfach und kostengünstig durchzuführen ist und die Schritte aufweist: Herstellen eines Schlickers durch Mischen eines wenigstens eines der Elemente Ni, Cr oder Ce enthaltenden Pulvers mit einem Bindemittel; Auftragen des Schlickers auf die zu panzernde Oberfläche; Zugabe keramischer Partikel vor oder nach dem Auftragen des Schlickers; Trocknen des Schlickers bei einer Temperatur von Raumtemperatur bis 300 DEG C; und Alitieren der Schlickerschicht.

Description

Verfahren zum Herstellen einer Panzerung für ein metallisches Bauteil
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Panzerung für ein metall i- sches Bauteil, die auf dessen Oberfläche vorgesehen wird.
Panzerungen bzw. Anstreifbeiäge 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 Spal t- große 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 Einlauf beläge 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 minima- ler 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, w c- bei 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 Werkstoffs 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 verhäl t- nismäßig 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 be- stehende Substrat zunächst mit einer Mischung aus Keramik-, AI- und Metallpulver zu beschichten, um die Wärmebeständigkeit der langandauernd hochtemperaturbe- lasteten Schicht zu verbessern. Anschließend folgt eine Schicht aus einem mit einem Binder versehenen Ni-Pulver, eine Wärmebehandlung und das Alitieren durch ein Packverfahren. Dabei soll die erste Schicht aus der Keramik enthaltenden Mischung verhindern, daß AI von der Schicht in das Substrat eindringt und die Schicht mithin durch die Verarmung von AI ihre Wärmebeständigkeit ei nbüßt.
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 Legi e- rungspulver 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 eines wenigstens eines der Elemente Ni oder Cr oder Ce enthaltenden Pulvers mit einem Bindemittel; Auftragen des Schlik- kers auf die zu panzernde Oberfläche; Zugabe keramischer Hartpartikel zum Schli k- ker vor oder nach dem Auftragen des Schlickers, deren Größe so gewählt wird, daß sie nach dem Alitieren über die Schicht vorstehen; Trocknen des Schlickers bei einer Temperatur von Raumtemperatur bis 300 °C; und Alitieren der Schlickerschicht. Der Vorteil dieses Verfahrens liegt darin, daß die Panzerung mit einem fertigungstechnisch einfachen Verfahren auf das Bauteil aufgebracht werden kann. Zudem sind die harten, keramischen Partikel in der einen Hohlraumanteil von 0 bis 40 % aufwei- sende Schlickerschicht eingebettet und mit dem Bauteil fest verbunden.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens werden die Partikel dem Schli k- ker vor dem Auftragen auf die zu panzernde Oberfläche zugemischt. Auf diese Weise sind die Partikel in dem in einer Suspension vorliegenden Schlicker gleichmäßig ve r- teilt.
In einer alternativen Ausgestaltung werden die Partikel nach dem Auftragen in den Schlicker eingesetzt, wodurch sich z.B. eine spezielle Anordnung der Partikel auf der zu panzernden Oberfläche erzielen läßt.
Bevorzugt werden Partikel aus BN, SiC oder ALO verwendet, da diese härter als die Schlickerschicht sind und sich beim Betrieb in Einlaufbeläge od. dgl. einschneiden können.
Ferner ist bevorzugt, daß der Schlicker aus einem Pulver aus MCrAIY hergestellt wird, wobei das Pulver bevorzugt in einer Korngrößenverteilung von 5 bis 120 μm vorliegt. Das M steht dabei für wenigstens eines der Elemente Ni, Co, Pt oder Pd. 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 ge c- metrisch komplizierten Bauteilen aufbringen. Zudem sind keine teuren und aufwe n- digen 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 e r- wiesen hat.
Bevorzugt ist femer, daß die Schlickerschicht bei einer Temperatur von 750 bis 1200 °C in Argon oder Vakuum wärmebehandelt wird, wobei das Wärmebehandeln der Schicht bevorzugt über 1 - 4 Stunden durchgeführt wird, um die Schlickerschicht mit dem Bauteil über Diffusion zu verbinden.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens wird der abschließende Schritt Alitieren der Schicht bei einer Temperatur zwischen 800 und 1200 °C und einer Dauer von 1 - 12 Stunden durchgeführt.
Bevorzugt besteht das metallische Bauteil aus einer Legierung auf Nickel- oder Kobaltbasis, wobei das Bauteil ein Triebwerksbauteil, z.B. eine Turbinenschaufel, sein kann, auf deren Schaufelspitze die Panzerung aufgebracht wird.
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Beispiels näher erläutert.
Bei einer Ausgestaltung des Verfahrens zum Herstellen einer Panzerung wird z u- nächst zur Herstellung eines Schlickers ein MCrAlY-Pulver zu einer Suspension mit einem üblichen anorganischen Bindemittel gemischt. In der Suspension liegt das MCrAlY-Pulver mit 80 - 90 Gew.-%, das Bindemittel mit 5 - 10 Gew.-% und zusätzlich Wasser mit 5 - 7 Gew.-% vor. Die Korngrößen der Partikel des MCrAlY-Pulvers liegen zwischen 5 und 120 μm. In diese fließfähige und spritzbare Masse werden BN- Partikel eingebracht, deren Größe über jener der MCrAlY-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 entha ltende Schlicker z.B. auch mit einem Pinsel unter Bildung einer Schicht auf die Schaufelspitze aufgetragen werden. Im nächsten Schritt wird der in einer Suspens i- on vorliegende, noch feuchte Schlicker bzw. die Schlickerschicht bei Raumtemperatur über etwa 1,5 Stunden getrocknet.
Die getrocknete Schlickerschicht wird dann bei 1000 °C 1 Stunde im Vakuum wärmebehandelt, um eine Verbindung der Schlickerschicht mit dem Werkstoff der Turbinenschaufel durch Diffusion zu erzielen. Daran anschließend wird die Schicht bei etwa 1 100 °C 4 Stunden lang mit einem üblichen Verfahren alitiert, um die Verbindung der Triebwerksschaufel durch Diffusion weiter zu verstärken und die Schlicker- Schicht zu kompaktieren. Dabei dringt AI in die Schicht und in den Grundwerkstoff der Turbinenschaufel ein und sorgt sowohl für eine feste Verbindung der Schicht mit dem Bauteil als auch für eine feste Verbindung der kugligen MCrAlY-Partikel untereinander. Zudem 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 Alitierschritt stehen die harten, keramischen Partikel 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

Patentansprüche
1. Verfahren zum Herstellen einer Panzerung für ein metallisches Bauteil, die auf dessen Oberfläche vorgesehen wird, gekennzeichnet durch die Schritte: Herste I- len eines Schlickers durch Mischen eines wenigstens eines der Elemente Ni oder
Cr oder Ce enthaltenden Pulvers mit einem Bindemittel; 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 Alitieren über die Schicht vorstehen; Trocknen des Schlickers bei einer Temperatur von Raumtemperatur bis 300 °C; und Alitieren der Schlickerschicht.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Partikel dem Schlicker vor dem Auftragen zugemischt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Partikel nach dem Auftragen in den Schlicker eingesetzt werden.
4. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Partikel aus BN, SiC oder A 03 verwendet werden.
5. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Schlicker aus einem Pulver aus MCrAIY hergestellt wird.
6. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Pulver mit einer Korngrößenverteilung von 5 bis 120 μm vorliegt.
7. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Auftragen durch Spritzen, Pinseln oder Tauchen durc h- geführt wird.
8. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Trocknen über 0,5 - 4 Stunden durchgeführt wird.
. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlickerschicht vor dem Alitieren bei einer Temperatur von 750 bis 1200 CC in Argon oder Vakuum wärmebehandelt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmebehandeln über 1 bis 4 Stunden durchgeführt wird.
1 1. 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 Alitieren bei einer Temperatur zwischen 800 und 1200 °C und einer Dauer von 1 bis 12 Stunden durchgeführt wird.
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