EP1670965A1 - Verfahren zu lokalen alitierung, silizierung oder chromierung von metallischen bauteilen - Google Patents

Verfahren zu lokalen alitierung, silizierung oder chromierung von metallischen bauteilen

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Publication number
EP1670965A1
EP1670965A1 EP04786831A EP04786831A EP1670965A1 EP 1670965 A1 EP1670965 A1 EP 1670965A1 EP 04786831 A EP04786831 A EP 04786831A EP 04786831 A EP04786831 A EP 04786831A EP 1670965 A1 EP1670965 A1 EP 1670965A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
diffusion
pack
paste
powder
coated
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP04786831A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Michael Strasser
Heinrich Walter
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
MTU Aero Engines AG
Original Assignee
MTU Aero Engines GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by MTU Aero Engines GmbH filed Critical MTU Aero Engines GmbH
Publication of EP1670965A1 publication Critical patent/EP1670965A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • 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
    • C23C10/04—Diffusion into selected surface areas, e.g. using masks

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a locally limited diffusion layer of the surface of a metallic component, the diffusion layer being formed by the inclusion of Si, Al and / or Cr in the surface of the metallic component.
  • Adhesive layers of this type must have a suitable chemical composition, roughness and surface topography, among other things. A rough surface to support the mechanical interlocking of the top layer to be applied later, for example thermal insulation layer, is advantageous.
  • Suitable thermal insulation layers can be constructed, for example, from (partially) stabilized Zr0 2 or other refractory oxides.
  • the adhesive layers In addition to the roughness for clinging to the outer protective layers or the heat insulation layer, the adhesive layers must be oxide-free and resistant to hot gas corrosion. Likewise, the adhesive layers must compensate for the different thermal expansion coefficients of the metallic base material and the thermal insulation layer.
  • Diffusion layers which contain Al and optionally further transition metals are particularly suitable as adhesive layers.
  • additional elements to be incorporated into the diffusion layer naturally depends heavily on the base material.
  • a powder pack process (out of pack process) is typically used as the coating process for producing the diffusion layers.
  • the surface to be coated with powders containing the additional elements is also derpackung called, brought into contact and heated to a temperature at which a diffusion of the elements of the powder can take place in the surface of the component.
  • the formation of the diffusion layers is generally referred to as alitizing, siliconizing, chromating, etc., corresponding to the absorption of Al, Si or Cr.
  • DE 198 24 792 A1 describes a method for producing a corrosion and oxidation-resistant layer, in which a slip containing at least one of the elements Cr, Ni or Ce is applied to a component and dried, and then at Temperatures between 800 ° C and 1200 ° C is alitated.
  • DE 3883 857 T2 discloses a method for producing a diffusion layer of Al and other ferrite-stabilizing elements for steels.
  • a package made of aluminum or aluminum alloy, as well as the other elements, a halide activator and optionally fillers is produced and the steel component to be coated is embedded in this package.
  • the diffusion coating is then carried out at temperatures above approx. 1000 ° C.
  • the methods shown have the disadvantage that the formation of the diffusion layers cannot be limited locally. Rather, the entire component is provided with the diffusion layer unspecifically. A sharp transition between the coated area and the uncoated component cannot be realized. Often, however, a sharp delimitation of the coated area is necessary. Therefore, the diffusion layer should only be deposited where it is actually needed as an adhesive layer. Because this layer changes the surface or material properties considerably, it can lead to considerable functional disturbances in the other areas of the component.
  • the object is achieved according to the invention by a method for producing a locally limited diffusion layer on a metallic component by alitizing, siliconizing and / or chroming with the features of the characterizing part of claim 1, and by a use according to claim 8.
  • Advantageous developments of the invention are the subject of the dependent claims.
  • the invention it is thus provided to build up the diffusion layer by means of a powder packing process, wherein in addition to the dispenser packing, at least one diffusion-blocking powder packing is arranged in the packing bed reactor, which prevents the supply of the additional elements to the areas of the metallic component that are not to be coated.
  • at least Cr, Si and / or Al are selected as additional elements which are to be supplied via the dispenser pack.
  • the process according to the invention comprises at least the following essential steps:
  • the paste or slip required for the first step is essentially formed by the additional elements to be applied, in particular Cr, Si and / or Al, as pure metals or their alloys, activators, binders and other additives.
  • the additional elements can be formed by the pure metals or alloys. It is often advantageous to add several additional elements at the same time via the form of alloys (co-diffusion). Al and Si are preferably fed in at the same time, the amount of Al and the amount of Si predominating by far.
  • the activators suitable according to the invention include compounds which can form volatile, in particular molecular, halides with the additional elements under the reaction conditions.
  • Preferred activators are NH F, NH 4 CI or AIF 3 .
  • ammonium halides are of particular interest as activators, since the ammonia formed as a by-product occurs as a reducing agent for the metals. This suppresses the undesirable oxidation of the metals.
  • the binders used are essentially the organic binders customary in the production of pastes or slip.
  • Powder made of AI, AlSi, AlTi, AICo and / or AlCr 5- 50% by weight
  • Al 2 0 3 powder 5-50% by weight
  • Organic binder 1-15 wt
  • Solids for siliconizing paste Si powder: 5-50% by weight Al 2 0 3 powder: 5-50% by weight Organic binder: 1-15% by weight
  • Al 2 0 3 powder 5-50% by weight
  • Organic binder 1-15% by weight
  • the solids are typically mixed with water and / or alcohols and further processed into a paste or a slip.
  • a paste is particularly preferably produced which has the consistency of a plastically moldable mass.
  • the organic binders can of course also be liquid compounds.
  • the paste or slip is applied to the areas to be coated and solidified. Solidification is typically accomplished by drying in an oven or the like.
  • the metallic component is provided with a separating layer, at least on the surfaces which are later in contact with the powder pack or which protrude into the pack bed reactor.
  • the separating layer should facilitate the subsequent detachment of the powder packs after the formation of the diffusion layer.
  • the separating layer is formed by porous material which is largely inert towards the base metal and additional elements.
  • the separating layer is preferably a thin layer of refractory oxides, in particular Al 2 O 3 .
  • the layer thickness is generally about 0.02 to 3 mm.
  • the separating layer can be applied by common coating processes to form thick layers.
  • a slip is applied, for example by brushing, dipping or spraying.
  • the slip is essentially formed by Al 2 0 3 and binder.
  • the component provided with the packing bed is at least partially introduced into a packing bed reactor.
  • Fig. 1 shows the alitation of damper pockets of a turbine blade in a packed bed reactor (1) with a turbine blade poor (2), whose blade root (3) protrudes into the packed bed reactor and which is coated with a separating layer (4) made of Al 2 0 3 , and the dispenser pack (5) arranged around the damper pockets and the diffusion-blocking powder pack (6).
  • the reactor (1) is preferably a simple device for holding the component and for receiving the powder filling or the diffusion-blocking powder pack.
  • the reactor can be formed, for example, by a metal capsule into which the component with the areas to be coated protrude.
  • the component (3) with coated and adjacent uncoated areas and the dispenser pack (5) with the diffusion-blocking powder pack (6) are then overlaid.
  • the diffusion-blocking powder pack has the effect according to the invention of retaining or binding the volatile compounds of the additional elements, so that coating of the surfaces of the metallic component which are not directly connected to the dispenser pack is suppressed or avoided entirely.
  • the material of this powder pack which is responsible for the diffusion-blocking effect, is a metal that can chemically bind the additional elements. Ni, Co and / or Fe alloys are typically used here.
  • the diffusion-blocking powder pack preferably has metal powder with a similar or the same composition as that coating metallic components. This prevents contamination of the metallic component by elements from the diffusion-blocking powder pack. Ni or Ni alloys are particularly preferred.
  • activators are contained as a further component of the diffusion-blocking powder pack.
  • the same or different activators as in the dispenser package can be selected.
  • the activators present in this outer powder pack advantageously reduce the loss of activator in the area of the donor pack during the diffusion reaction.
  • a preferred composition of the diffusion-blocking powder pack has at least 50% metal powder and an activator content in the range from 0.2 to 5% by weight , Inert substances, for example Al 2 O 3 , can be present as further components.
  • the reactor is heated to a temperature above 900 ° C.
  • the reactor is preferably operated under an inert or protective gas, Ar and / or H 2 being particularly preferred here.
  • the reducing conditions under H 2 prevent or at least partially reverse oxide formation.
  • an alitation, siliconization and / or chrome plating is preferably carried out.
  • process temperatures and times depends on the selected components, dispenser packs and the desired layer consistency.
  • the process temperatures for alitation are typically in the range of 750 to 1200 ° C, with holding times of 1 to 20 h; when chroming typically 900 to 1200 ° C are selected with the same holding time.
  • the metallic components can also already have metallic coatings. This may require a slight adjustment of the process parameters compared to the uncoated components. In principle, however, the essential features of the method according to the invention remain unchanged.
  • the chemical components necessary for the surface treatment are formed in situ within the reactor.
  • education and Settlement of gaseous metal halides play an essential role in transporting the metals intended for diffusion from the packing bed to the surface of the metallic component.
  • the metal halides are formed in situ by the halide-containing activators.
  • the gaseous metal halides entering the area of the diffusion-blocking powder pack are bound by the metal powders and prevented from diffusing into the uncoated areas.
  • the paste then had a modeling clay-like consistency.
  • the paste was pressed onto the damper pockets and dried in a convection oven at approx. 50 ° C.
  • the rotor blade thus prepared was fitted into a metal box, only the end of the blade, according to the schematic FIG. 1, protruding into the packed bed reactor formed thereby.
  • the passage of the shovel was sealed with some paste.
  • the reactor was then filled up to about twice the height of the damper pockets with diffusion-blocking cover powder (powder pack). This powder pack was formed from Ni base material powder with 1 wt% NH F.
  • the alitation was carried out at a starting temperature of 1080 ° C and a holding level at 1050 ° C with a duration of 4 h. Ar and H2 were flushed as protective gas.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer lokal begrenzten Diffusions­schicht auf einem metallischen Bauteil, das die Schritte - Aufbringen einer Cr-, Si- and/oder AI-haltigen und Aktivatoren-haltigen Paste auf die zu beschichtenden Bereiche des metallischen Bauteils - Verfestigung der Paste zu einer Spender-Packung - Abdeckung der an die Spender-Packung angrenzenden nicht zu beschichtenden Bereiche mit einer diffusionssperrenden Pulverpackung - Erhitzung auf eine Temperatur oberhalb 900°C zur Durchführung der Alitierung, Silizie­rung und/oder der Chromierung, aufweist, sowie die Verwendung des Verfahrens bei der Herstellung von Turbinenschaufeln.

Description

Verfahren zur lokalen Alitierung, Silizierung oder Chromierung von metallischen Bauteilen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer lokal begrenzten Diffusionsschicht der Oberfläche eines metallischen Bauteils, wobei die Diffusionsschicht durch die Aufnahme von Si-, AI- und/oder Cr in die Oberfläche des metallischen Bauteils gebildet wird.
Mechanisch und thermisch hochbelastete metallische Bauteile werden üblicherweise mit Schutzschichten versehenen, die die Verschleißschutz-Eigenschaften oder auch die Wär- medämm-Eigenschaften verbessern sollen. Um die Anbindung dieser Funktionsschichten zu verbessern ist es üblich, zwischen Bauteil und Funktionsschicht eine spezieil angepass- te Haftschicht vorzusehen. Derartige Haftschichten müssen unter anderem eine geeignete chemische Zusammensetzung, Rauhigkeit und Oberflächentopografie aufweisen. Dabei ist eine rauhe Oberfläche zur Unterstützung der mechanischen Verzahnung der später aufzubringenden Deckschicht, beispielsweise Wärmedämmschicht, von Vorteil.
Insbesondere bei der Technologie der Gasturbinen, beispielsweise bei der Herstellung von Turbinenschaufeln, werden Haftschichten zwischen dem Bauteil und einer äußeren Wärmedämmschicht vorgesehenen. Geeignete Wärmedämmschichten können beispielsweise aus (teil)stabilisiertem Zr02 oder auch anderen refraktären Oxiden aufgebaut sein. Die Haftschichten müssen neben der Rauhigkeit zur Verklammerung mit der äußeren Schutzschichten bzw. der Wärmedämmschicht oxidfrei und beständig gegen Heißgaskorrosion sein. Ebenso müssen die Haftschichten einen Ausgleich für die unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten von metallischem Basismaterial und Wärmedämmschicht schaffen.
Als Haftschichten sind insbesondere Diffusionsschichten, die AI und gegebenenfalls weitere Übergangsmetalle enthalten, gut geeignet. Die Wahl der in die Diffusionsschicht einzubringenden Zusatzelemente hängt dabei selbstverständlich stark vom Basiswerkstoff ab. Typischerweise wird als Beschichtungsverfahren zur Herstellung der Diffusionsschichten ein Pulverpackverfahren (Out of Pack Process) verwendet. Hierbei wird die zu beschichtende Oberfläche mit Pulvern die die Zusatzelemente enthalten, im Folgenden auch Spen- derpackung genannt, in Berührung gebracht und auf eine Temperatur erhitzt, bei der eine Diffusion der Elemente des Pulvers in die Oberfläche des Bauteils erfolgen kann. Die Bildung der Diffusionsschichten wird im allgemeinen als Alitieren, Silizieren, Chromieren, etc. bezeichnet, entsprechend der Aufnahme von AI, Si oder Cr.
So wird beispielsweise in der DE 198 24 792 A1 ein Verfahren zur Herstellung einer korro- sions- und oxidationsbeständigen Schicht beschrieben, bei dem ein Schlicker, enthaltend mindestens eines der Elemente Cr, Ni oder Ce, auf ein Bauteil aufgetragenen und getrocknet wird und dann bei Temperaturen zwischen 800°C und 1200°C alitiert wird.
Aus der DE 3883 857 T2 ist ein Verfahren bekannt zur Herstellung einer Diffusionsschicht von AI und weiteren Ferrit-stabilisierenden Elementen für Stähle. Dabei wird einer Packung aus AI-, oder Aluminiumlegierung, sowie den weiteren Elementen, einem Halogenid- Aktivator und gegebenenfalls Füllmitteln hergestellt und das zu beschichtende Bauteil aus Stahl in dieser Packung eingebettet. Hierauf erfolgt die Diffusionsbeschichtung bei Temperaturen oberhalb ca. 1000°C.
Die aufgezeigten Verfahren haben den Nachteil, dass die Ausbildung der Diffusionsschichten nicht lokal eingegrenzt werden kann. Vielmehr wird das gesamte Bauteil unspezifisch mit der Diffusionsschicht versehen. Ein scharfer Übergang zwischen beschichtetem Bereich und unbeschichtetem Bauteil kann nicht realisiert werden. Häufig ist aber gerade eine scharfe Begrenzung des beschichteten Bereichs notwendig. Daher sollte die Diffusionsschicht nur dort abgeschieden werden, wo sie tatsächlich als Haftschicht benötigt wird. Denn da diese Schicht die Oberflächen, bzw. Werkstoffeigenschaften erheblich verändert, kann sie in den übrigen Bereichen des Bauteils zu erheblichen Störungen der Funktionalität führen.
Es ist somit Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Bildung von Diffusionsschichten auf metallischen Bauteilen bereitzustellen, das in einfacher Weise eine lokale Begrenzung von beschichteten und unbeschichteten Bereichen gewährleistet. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung einer lokal begrenzten Diffusionsschicht auf einem metallischen Bauteil durch Alitieren, Silizieren und/oder Chromieren mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1, sowie durch eine Verwendung gemäß Anspruch 8. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Erfindungsgemäß ist somit vorgesehen, die Diffusionsschicht durch einen Pulverpack- Prozess aufzubauen, wobei im Packbettreaktor neben der Spenderpackung auch zumindest eine diffusionssperrende Pulverpackung angeordnet ist, die die Zuführung der Zusatzelemente zu den nicht zu beschichtenden Bereichen des metallischen Bauteils verhindert. Erfindungsgemäß werden als Zusatzelemente, die über die Spenderpackung zugeführt werden sollen, zumindest Cr, Si und/oder AI ausgewählt.
Der erfindungsgemäßen Prozess umfasst zumindest die folgenden wesentlichen Schritte:
a) Aufbringen einer Cr-, Si- und/oder Al-haltigen Paste, je nach Konsistenz im Folgenden auch als Schlicker bezeichnet, auf die zu beschichtenden Bereiche, wobei die Paste ebenfalls auch Aktivatoren enthält.
b) Verfestigung der Paste oder des Schlickers zu einer Spenderpackung
c) Abdeckung der nicht zu beschichtenden Bereiche mit der diffusionssperrenden Pulverpackung
d) Erhitzung von Bauteil und Pulverpackungen auf eine Temperatur oberhalb 900°C, wobei die Alitierung, Silizierung und/oder Chromierung durchgeführt wird.
Die für den ersten Schritt benötigte Paste, bzw. Schlicker, wird im wesentlichen durch die aufzubringenden Zusatzelemente, insbesondere Cr, Si und/oder AI als reine Metalle oder deren Legierungen, Aktivatoren, Bindemittel und weitere Zuschlagstoffe gebildet. Die Zusatzelemente können durch die reinen Metalle oder auch Legierungen gebildet werden. Häufig ist es von Vorteil, über die Form von Legierungen mehrere Zusatzelemente gleichzeitig zuzuführen (Co-Diffusion). Bevorzugt werden gleichzeitig AI und Si zugeführt, wobei die Menge des AI, die Menge des Si bei weitem überwiegt.
Zu den erfindungsgemäß geeigneten Aktivatoren gehören Verbindungen die unter den Reaktionsbedingungen flüchtige, insbesondere molekulare, Halogenide mit den Zusatzelementen bilden können. Bevorzugte Aktivatoren sind NH F, NH4CI oder AIF3. Ebenso ist es aber auch möglich dass zumindest ein Teil der Fluoride oder Chloride durch die Zersetzung fluorierter oder chlorierter organischer Bindemittel oder Zuschlagstoffe gebildet wird.
Als Aktivatoren sind die Ammonium-Halogenide von besonderem Interesse, da der als Nebenprodukt gebildete Ammoniak als Reduktionsmittel für die Metalle auftritt. Die unerwünschte Oxidation der Metalle wird dadurch zurückgedrängt.
Als Bindemittel werden im wesentlichen die bei der Herstellung von Pasten oder Schlickern üblichen organischen Bindemittel verwendet.
Im Folgenden sind Beispiele für die erfindungsgemäß geeigneten Feststoffzusammensetzungen der Schlicker oder Pasten zu finden. Sie sollen den Gegenstand der Erfindung lediglich näher erläutern und sind keinesfalls einschränkend zu verstehen. Die angegebenen Zahlenwerte sind als ungefähre Angaben zu verstehen.
Feststoffe für Paste zum Alitieren:
Pulver aus AI, AlSi, AlTi, AICo und/oder AlCr: 5- 50 Gew%
Pulver aus Al203: 5-50 Gew%
Organisches Bindemittel: 1-15 Gew
Aktivator aus NH4F und/oder NH CI: 0,5-2 Gew%
Feststoffe für Paste zum Silizieren: Pulver aus Si: 5- 50 Gew% Pulver aus Al203: 5-50 Gew% Organisches Bindemittel: 1-15 Gew%
Aktivator aus NH F und/oder NH CI: 0,5-2 Gew%
Feststoffe für Paste zum Chromieren:
Pulver aus Cr: 5- 50 Gew%
Pulver aus Al203: 5-50 Gew%
Organisches Bindemittel: 1-15 Gew%
Aktivator aus NH F und/oder NH4Cl: 0,5-2 Gew%
Die Feststoffe werden typischerweise mit Wasser und/oder Alkoholen vermischt und zu einer Paste oder einem Schlicker weiterverarbeitet. Besonders bevorzugt wird hierbei eine Paste hergestellt, die die Konsistenz einer plastisch formbaren Masse aufweist.
Bei den organischen Bindemitteln kann es sich selbstverständlich auch um flüssige Verbindungen handeln.
Im weiteren Prozessablauf wird die Paste oder der Schlicker auf die zu beschichtenden Bereiche aufgebracht und verfestigt. Die Verfestigung erfolgt typischerweise durch Trocknung in einem Ofen oder dergleichen.
Hierdurch wird eine feste und an der Oberfläche des metallischen Bauteils anhaftende Spenderpackung gebildet.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das metallische Bauteil, zumindest auf den Oberflächen, die später im Kontakt mit dem Pulverpackung stehen, bzw. die in den Packbettreaktor hineinragen, mit einer Trennschicht versehen. Die Trennschicht soll die spätere Ablösung der Pulverpackungen nach der Bildung der Diffusionsschicht erleichtern. Die Trennschicht wird durch poröses und gegenüber Basismetall und Zusatzelementen weitgehend inertes Material gebildet. Bevorzugt handelt es sich bei der Trennschicht um eine dünne Schicht aus refraktären Oxiden, insbesondere Al203. Die Schichtdicke liegt im allgemeinen bei ca. 0,02 bis 3 mm. Die Trennschicht kann durch gängige Beschichtungsverfahren zur Bildung von Dickschichten aufgebracht werden. In einer bevorzugten Variante wird ein Schlicker aufgebracht, beispielsweise durch Aufstreichen, Tauchen oder Aufspritzen. Der Schlicker ist im wesentlichen durch Al203 und Bindemittel gebildet.
Im darauffolgenden Verfahrensschritt (c) wird das mit dem Packbett versehene Bauteil zumindest zum Teil in einen Packbettreaktor eingebracht.
Die erfindungsgemäße Anordnung im Packbettreaktor soll anhand der beispielhaften Fig. 1 näher erläutert werden, wobei die Abbildung nur eine beliebige möglicher weiterer erfindungsgemäßer Varianten darstellt.
Fig. 1 zeigt die Alitierung von damper pockets einer Turbinenschaufel in einem Packbettreaktor (1) mit Turbinenschauf elende (2), dessen Schaufelfuß (3) in den Packbettreaktor hineinragt und der mit einer Trennschicht (4) aus Al203 beschichtet ist, sowie die um die damper pockets angeordnete Spenderpackung (5) und die diffusionssperrende Pulverpackung (6).
Der Reaktor (1) ist bevorzugt eine einfache Vorrichtung zum Halten des Bauteils und zur Aufnahme der Pulverschüttung bzw. der diffusionssperrenden Pulverpackung. Der Reaktor kann beispielsweise durch eine Metallkapsel gebildet werden, in welche das Bauteil mit den zu beschichtenden Bereichen hineinragt. Darauf wird das Bauteil (3) mit beschichteten und angrenzenden unbeschichteten Bereichen, sowie die Spenderpackung (5) mit der diffusionssperrenden Pulverpackung (6) überschichtet.
Die diffusionssperrende Pulverpackung hat die erfindungsgemäße Wirkung, die flüchtigen Verbindungen der Zusatzelemente zurückzuhalten beziehungsweise zu binden, so dass eine Beschichtung der nicht direkt mit der Spenderpackung in Verbindung stehenden Oberflächen des metallischen Bauteils unterdrückt oder ganz vermieden wird. Bei dem für die diffusionssperrende Wirkung verantwortlichen Material dieser Pulverpackung handelt es sich um Metalle, die die Zusatzelemente chemisch binden können. Typischerweise werden hierbei Ni, Co und/oder Fe-Legierungen eingesetzt. Bevorzugt weist die diffusionssperrende Pulverpackung Metallpulver mit ähnlicher oder gleicher Zusammensetzung, wie das zu beschichtende metallische Bauteile auf. Hierdurch wird die Kontamination des metallischen Bauteils durch Elemente aus der diffusionssperrenden Pulverpackung vermieden. Besonders bevorzugt sind Ni-, oder Ni-Legierungen.
Als weitere Komponente der diffusionssperrenden Pulverpackung sind erfindungsgemäß Aktivatoren enthalten. Dabei können die gleichen oder auch verschiedene Aktivatoren wie in der Spenderpackung gewählt werden. Durch die in dieser äußeren Pulverpackung vorhandenen Aktivatoren wird der während der Diffusionsreaktion stattfindende Aktivatorverlust im Bereich der Spenderpackung in vorteilhafter Weise verringert Eine bevorzugte Zusammensetzung der diffusionssperrenden Pulverpackung weist mindestens 50% Metallpulver und einen Gehalt an Aktivator im Bereich von 0,2 bis 5 Gew% auf. Als weitere Komponenten können inerte Stoffe, wie beispielsweise Al203, enthalten sein.
Abschließend erfolgt im Packbettreaktor die eigentliche Diffusionsbeschichtung. Hierzu wird der Reaktor auf eine Temperatur oberhalb 900°C erhitzt. Bevorzugt wird der Reaktor unter Inert- oder Schutzgas gefahren, wobei hier Ar und/oder H2 besonders bevorzugt sind. Insbesondere wird durch die reduzierenden Bedingungen unter H2 die Oxidbildung verhindert oder zumindest zum Teil rückgängig gemacht.
In diesem Verfahrensschritt wird bevorzugt eine Alitierung, Silizierung und/oder Chromierung durchgeführt.
Die Wahl der Prozesstemperaturen- und -zeiten sind von den gewählten Bauteilen, Spenderpackungen und der gewünschten Schichtkonsistenz abhängig. Für Cr-, Ni-, oder Co- Basislegierungen liegen die Prozesstemperaturen zur Alitierung typischerweise im Bereich von 750 bis 1200°C, bei Haltezeiten von 1 bis 20 h; beim chromieren werden typischerweise 900 bis 1200°C bei gleicher Haltezeit gewählt.
Gegebenenfalls können die metallischen Bauteile auch bereits metallische Beschichtungen tragen. Hierdurch kann gegebenenfalls eine geringfügige Anpassung der Verfahrensparameter gegen über den nicht beschichteten Bauteilen notwendig sein. Die wesentlichen Merkmale des erfindungsgemäßen Verfahrens bleiben jedoch im Prinzip unverändert.
Innerhalb des Reaktors werden die chemischen Komponenten, die für die Oberflächenbehandlung notwendig sind, in situ gebildet. Dabei spielen insbesondere die Bildung und Zer- setzung von gasförmigen Metallhalogeniden eine wesentliche Rolle, die zur Diffusion bestimmten Metalle aus dem Packbett an die Oberfläche des metallischen Bauteils zu transportieren.
Die Metallhalogenide werden in situ durch die Halogenid-haltigen Aktivatoren gebildet. Die in den Bereich der diffusionssperrenden Pulverpackung gelangenden gasförmigen Metallhalogenide werden durch die Metallpulver gebunden und an der Diffusion in die nicht beschichteten Bereiche gehindert.
Beispiel:
Im Folgenden wird exemplarisch die lokal auf den Bereich der Damper Pockets begrenzte Alitierung einer Laufschaufel für Gasturbinen ausgeführt.
Zur Herstellung der Alitier-Paste wurden 10g Al203-Pulver (Spritzpulver), 10 g AI-Pulver und 0,2 g NH4F gemischt und mit einer bindemittelhaltigen alkoholischen Wasserlösung ange- teigt.
Die Paste wies hierauf eine knetmassenartige Konsistenz auf. Die Paste wurde auf die Damper Pockets aufgedrückt und bei ca. 50°C im Umluftofen getrocknet. Die so präparierte Laufschaufel wurde in einen Metallkasten eingepasst, wobei nur das Schaufelende, gemäß der schematischen Fig. 1 in den hierdurch gebildeten Packbettreaktor ragte. Der Durchtritt der Schaufel wurde durch etwas Paste abgedichtet. Der Reaktor wurde hierauf bis auf etwa die doppelte Höhe der Damper Pockets mit diffusionssperrendem Abdeckpulver (Pulverpackung) aufgefüllt. Diese Pulverpackung wurde aus Ni-Basiswerkstoff-Pulver mit 1 Gew% NH F gebildet.
Die Alitierung erfolgte bei einer Starttemperatur von 1080°C und einer Haltestufe bei 1050°C mit einer Dauer von 4 h. Als Schutzgas wurde mit Ar und H2 gespült.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung einer lokal begrenzten Diffusionsschicht auf einem metallischen Bauteil durch Alitieren, Silizieren und/oder Chromieren dadurch gekennzeichnet, dass es zumindest die folgenden Schritte umfasst: - Aufbringen einer Cr-, Si- und/oder Al-haltigen und Aktivatoren-haltigen Paste auf die zu beschichtenden Bereiche des metallischen Bauteils - Verfestigung der Paste zu einer Spender-Packung - Abdeckung der an die Spender-Packung angrenzenden nicht zu beschichtenden Bereiche mit einer diffusionssperrenden Pulverpackung - Erhitzung auf eine Temperatur oberhalb 900°C zur Durchführung der Alitierung, Silizierung und/oder der Chromierung.
2. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das metallische Bauteile zumindest an den zu beschichtenden Bereichen vor dem Aufbringen der Paste mit einer porösen Al203-haltigen Trennschicht bedeckt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass die diffusionssperrende Pulverpackung Metallpulver mit ähnlicher oder gleicher Zusammensetzung, wie das zu beschichtende metallische Bauteile enthält.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Metallpulver der diffusionssperrenden Pulverpackung aus Ni-, oder Ni-Legierung besteht.
5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die diffusionssperrende Pulverpackung Aktivatoren enthält.
6. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die diffusionssperrende Pulverpackung, die Paste und/oder die Spender- Packung Aktivatoren in einer Menge von 0,2 bis 5 Gew% enthält.
7. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktivatoren im wesentlichen durch NH F, NH CI und/oder AIF3 gebildet werden.
8. Verwendung eines Verfahrens nach einem der vorangegangenen Ansprüche bei der Herstellung von Turbinenschaufeln.
EP04786831A 2003-10-11 2004-09-23 Verfahren zu lokalen alitierung, silizierung oder chromierung von metallischen bauteilen Withdrawn EP1670965A1 (de)

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