EP1959026B1 - Verfahren zur Ausbildung einer Aluminium-Diffusionsschicht zum Oxidationsschutz - Google Patents

Verfahren zur Ausbildung einer Aluminium-Diffusionsschicht zum Oxidationsschutz Download PDF

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EP1959026B1
EP1959026B1 EP08101026.6A EP08101026A EP1959026B1 EP 1959026 B1 EP1959026 B1 EP 1959026B1 EP 08101026 A EP08101026 A EP 08101026A EP 1959026 B1 EP1959026 B1 EP 1959026B1
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    • C23C10/60—After-treatment

Definitions

  • the invention relates to a method for forming an aluminum diffusion layer for the oxidation protection of metallic components, in particular consisting of a nickel-based alloy components of an aircraft gas turbine.
  • Certain engine components such as the hot gas flow nickel-base alloy rotor and stator blades of the turbine, are significantly attacked during operation by oxidation processes, so that the life of the blades is reduced and the blades must be replaced or repaired ,
  • a known oxidation protection principle for such components is that by accumulating aluminum in a near-surface region of the base material on the component surface to be protected by aluminum diffusing to the surface, an aluminum oxide protective layer is formed, which is intended to prevent further oxidation.
  • the known diffusion methods are on the one hand in terms of cost disadvantageous, and indeed insofar as obtained in the diffusion from the aluminum powder in the pack-Alit Schl in large quantities of aluminum scrap and on the other hand, the diffusion in vacuum according to the CVD method is complex in terms of equipment and handling.
  • EP-A-1 013 787 describes a method for coating a metallic surface in which a masking for removing an oxidation layer takes place.
  • EP-A-0 843 026 discloses a method for plating a coating on a component of a gas turbine, in which a temporary masking of Cooling channels before applying an aluminum layer by vapor diffusion takes place. During heating, temperatures of 815 to 1100 ° C occur.
  • the document EP-A-0 908 538 describes a method in which a turbine component consisting of a nickel-based alloy is masked, first a galvanic layer is formed on the free portions of the masked component, and then the mask is removed from the component to subsequently heat-treat the component ,
  • the invention has for its object to provide a method for forming an aluminum diffusion layer in metallic components, which requires a reduced effort and ensures a high component quality.
  • the basic idea of the invention is that on the free sections of the masked components in an aprotic solution, ie in a water- and oxygen-free electrolyte with an aluminum anode and the (n) component (s) as the cathode, first an aluminum layer of a certain thickness is trained and the Masking is then removed from the components to then subject the components after a certain temperature-time profile of a heat treatment under inert gas or in a vacuum, wherein the aluminum diffuses into the component and, conversely, alloy components of the component diffuse into the aluminum layer and thereby in the coated sections, an aluminum diffusion layer is formed for later oxidation protection.
  • the aluminum coating under the masking takes place in a first method step at low temperature, while after the removal of the masking carried out in a second method step in a third method step, the unmasked component for forming an aluminum diffusion layer of a heat treatment at elevated Temperature is subjected.
  • the temperature-time profile, in which the diffusion of aluminum into the component alloy and of alloy constituents in the aluminum layer, is such that the components - after heating to about 400 - 700 ° C and a holding time of up to 2 hours - according to the invention about one hour at about 1100 ° C and then heat treated at about 1030 ° C for about five hours and then cooled in still air.
  • the component sections to be coated are cleaned prior to electroplating and treated with an activating agent, preferably nickel chloride.
  • the blade roots of the turbine blades exposed by the attachment to the rotor disk of a high mechanical load are covered with metal strips and thus masked against external influences in the further treatment.
  • the blade feet can also be arranged in a box or coated with an adhesive.
  • an activating agent for example NiCl (or a fluoride, preferably potassium aluminum fluoride), to effect better adhesion of the later electrodeposited aluminum layer.
  • the prepared turbine blades are now (preferably within an oxygen-encapsulated Appendix) in an aprotic solution, that is introduced into a water and oxygen-free organic electrolyte with soluble aluminum anodes present therein and galvanically coated in the region of the uncovered blades with pure aluminum in a layer thickness of 5 to 10 .mu.m.
  • the masking is exposed in the galvanic coating only very low temperatures (about 300 ° C), so that the cost of the masking and the masking material and the subsequent unmasking is low and the comparatively low temperatures cause no reaction between masking material and base material and by the Masking caused consequential damage in the masked material area can not occur.
  • the turbine blades in an oven, in an inert gas atmosphere or in a vacuum, after a heating phase in which the blades are heated to about 600 ° C and held for 1.5 hours at this temperature, initially at 1100 ° for one hour C and then subjected to a heat treatment at 1030 ° C for five hours, in which the aluminum diffused from the electrodeposited aluminum layer in the nickel-based alloy and vice versa, the nickel in the aluminum layer. Thereafter, the blades are cooled in static air in less than 10 minutes.
  • the aluminum present on the surface of the thus produced Ni-Al diffusion layer of the airfoil forms an aluminum oxide layer in an oxygen atmosphere, which prevents further oxidation of the blade material under operating conditions of the blades in the engine.

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ausbildung einer Aluminium-Diffusionsschicht zum Oxidationsschutz von metallischen Bauteilen, insbesondere von aus einer Nickel-Basis-Legierung bestehenden Bauteilen einer Fluggasturbine.
  • Bestimmte Triebwerksbauteile, wie die mit dem Heißgasstrom beaufschlagten, aus einer Nickelbasis-Legierung bestehenden Rotor- und Statorschaufeln der Turbine, werden während des Betriebes in erheblichem Umfang durch Oxidationsprozesse angegriffen, so dass die Lebensdauer der Schaufeln verringert wird und die Schaufeln ausgetauscht oder repariert werden müssen.
  • Ein bekanntes Oxidationsschutzprinzip für derartige Bauteile besteht darin, dass durch Anreichern von Aluminium in einem oberflächennahen Bereich des Grundwerkstoffs an der zu schützenden Bauteiloberfläche durch zur Oberfläche diffundierendes Aluminium eine Aluminiumoxid-Schutzschicht gebildet wird, die eine weitere Oxidation verhindern soll.
  • Bei den bekannten Verfahren zur Erzeugung der Aluminium-Diffusionsschicht wird ein begrenzter, im Triebwerksbetrieb dem Heißgasstrom ausgesetzter Abschnitt des betreffenden Bauteils beim sogenannten "Pack-Alitieren" in Aluminiumpulver und bei der chemischen Gasphasen-Abscheidung (CVD-Verfahren, chemical vapour deposition) im Vakuum in ein aluminiumreiches gasförmiges Medium eingebracht, wobei das Aluminium bei Temperaturen im Bereich zwischen 900 und 1100°C in das Metall diffundiert.
  • Anwendungsbedingt dürfen bestimmte, mechanisch hoch beanspruchte Abschnitte der Bauteile, wie zum Beispiel der Schaufelfuß einer Turbinenschaufel, nicht beschichtet werden und müssen daher während des Diffusionsvorgangs abgedeckt (maskiert) werden.
  • Die bekannten Diffusionsverfahren sind zum einen hinsichtlich des Kostenaufwandes nachteilig, und zwar insofern, als bei der Diffusion aus dem Aluminiumpulver beim Pack-Alitieren in großer Menge Aluminiumschrott anfällt und andererseits die Diffusion im Vakuum gemäß dem CVD-Verfahren apparativ und hinsichtlich des Handling aufwendig ist.
  • Aufgrund der hohen Temperaturen während des Diffusionsvorgangs mit einem maskierten Bauteil ist die Maskierung mit einem hohen Aufwand verbunden. Zudem kann beim Maskieren mit einem Kleber aufgrund der hohen Temperaturen Kohlenstoff aus dem Kleber in das Bauteil diffundieren und dessen Festigkeitseigenschaften negativ beeinflussen.
  • Aus dem Dokument US-A-4 101 386 ist ein Verfahren zur Ausbildung einer Aluminium-Diffusionsschicht in metallischen Bauteilen durch Bildung einer Aluminiumoxid-Schutzschicht gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bekannt.
  • Das Dokument EP-A-1 013 787 beschreibt ein Verfahren zum Beschichten einer metallischen Oberfläche, bei dem eine Maskierung zum Entfernen einer Oxidationsschicht erfolgt.
  • Das Dokument EP-A-0 843 026 offenbart ein Verfahren zum Plattieren einer Beschichtung auf ein Bauelement einer Gasturbine, bei dem eine vorübergehende Maskierung von Kühlkanälen vor dem Aufbringen einer Aluminiumschicht durch Dampfdiffusion erfolgt. Während des Aufheizens treten Temperaturen von 815 bis 1100 °C auf.
  • Auch das Dokument US 2006/266285 A1 beschreibt ein Verfahren zur Maskierung von Kühlkanälen einer Gasturbine, es kommt hier jedoch keine Wärmebehandlung zum Einsatz.
  • Das Dokument EP-A-0 908 538 beschreibt ein Verfahren, bei dem ein aus einer Nickel-Basis-Legierung bestehendes Turbinenbauteil maskiert wird, zunächst auf den freien Abschnitten des maskierten Bauteils eine galvanische Schicht ausgebildet wird und die Maskierung dann von dem Bauteil entfernt wird, um das Bauteil anschließend einer Wärmebehandlung zu unterziehen.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Ausbildung einer Aluminium-Diffusionsschicht in metallischen Bauteilen anzugeben, das einen verringerten Aufwand erfordert und eine hohe Bauteilqualität gewährleistet.
  • Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einem Verfahren gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Weitere Merkmale zur vorteilhaften Weiterbildung oder zweckmäßigen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus den Unteransprüchen.
  • Der Grundgedanke der Erfindung besteht darin, dass auf den freien Abschnitten der maskierten Bauteile in einer aprotischen Lösung, das heißt in einem wasser- und sauerstofffreien Elektrolyten mit einer Aluminiumanode und dem(n) Bauteil(en) als Kathode, zunächst eine Aluminiumschicht von bestimmter Dicke ausgebildet wird und die Maskierung dann von den Bauteilen entfernt wird, um die Bauteile anschließend nach einem bestimmten Temperatur-Zeit-Profil einer Wärmebehandlung unter Schutzgas oder im Vakuum zu unterziehen, bei der Aluminium in das Bauteil diffundiert und umgekehrt Legierungsbestandteile des Bauteils in die Aluminiumschicht diffundieren und dabei in den beschichteten Abschnitten eine Aluminium-Diffusionsschicht für den späteren Oxidationsschutz ausgebildet wird. Im Unterschied zum Stand der Technik erfolgt die Aluminium-Beschichtung unter der Maskierung in einem ersten Verfahrensschritt bei niedriger Temperatur, während nach dem in einem zweiten Verfahrensschritt vorgenommenen Entfernen der Maskierung in einem dritten Verfahrensschritt das unmaskierte Bauteil zur Ausbildung einer Aluminium-Diffusionsschicht einer Wärmebehandlung bei erhöhter Temperatur unterzogen wird. Das Temperatur-ZeitProfil, bei dem die Diffusion von Aluminium in die Bauteillegierung und von Legierungsbestandteilen in die Aluminiumschicht erfolgt, ist derart, dass die Bauteile - nach einer Erwärmung auf ca. 400 - 700°C und einer Haltezeit von bis zu 2 Stunden - erfindungsgemäß etwa eine Stunde bei ca. 1100°C und anschließend etwa fünf Stunden bei ca. 1030°C wärmebehandelt werden und danach in ruhender Luft abgekühlt werden.
  • Aufgrund der in Beschichtungsstärke und -größe kontrollierten galvanischen Beschichtung ist auch eine definierte Ausbildung der Diffusionsschicht möglich, und zwar ohne Maskierung und ohne die Maskierung den für den Diffusionsvorgang erforderlichen hohen Wärmebehandlungstemperaturen aussetzen zu müssen. Die Anforderungen an die Art und Ausführung der bei der galvanischen Beschichtung nur geringen Temperaturen ausgesetzten Maskierung sind geringer als bei den während der Diffusion erforderlichen Maskierungen. Zudem werden auch Folgeschäden an den Bauteilen verhindert, die durch die Wirkung hoher Temperaturen auf das Material der Maskierung bedingt sind.
  • Für das Maskierungsmaterial ist lediglich eine Temperaturbeständigkeit bis ca. 400°C erforderlich.
  • Die zu beschichtenden Bauteilabschnitte werden vor dem Galvanisieren gereinigt und mit einem Aktivierungsmittel, vorzugsweise Nickelchlorid, behandelt.
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im Folgenden am Beispiel einer aus einem Nickelbasis-Werkstoff bestehenden Turbinenschaufel eines Gasturbinentriebwerks, deren Schaufelblatt zum Schutz vor Oxidation durch die heißen Arbeitsgase eine Aluminiumoxid-Schutzschicht aufweisen soll und deren in Ausnehmungen der Rotorscheibe gehaltener Schaufelfuß frei bleiben muss, näher erläutert.
  • Die durch die Befestigung an der Rotorscheibe einer hohen mechanischen Belastung ausgesetzten Schaufelfüße der Turbinenschaufeln werden mit Metallbändern beklebt und so gegenüber äußeren Einwirkungen bei der weiteren Behandlung maskiert. Zur Maskierung können die Schaufelfüße aber auch in einer Box angeordnet oder mit einem Kleber bestrichen sein. Anschließend werden die mechanisch bearbeiteten und gereinigten Turbinenschaufeln mit einem Aktivierungsmittel, beispielsweise NiCl (oder einem Fluorid, vorzugsweise Kalium-Aluminium-Fluorid) behandelt, um eine bessere Haftung der später galvanisch aufgebrachten Aluminiumschicht zu bewirken. Die so vorbereiteten Turbinenschaufeln werden nun (bevorzugt innerhalb einer sauerstoffgekapselten Anlage) in eine aprotische Lösung, das heißt in einen wasser- und sauerstofffreien organischen Elektrolyten mit in diesem befindlichen löslichen Aluminiumanoden eingebracht und im Bereich der nicht abgedeckten Schaufelblätter galvanisch mit Reinaluminium in einer Schichtdicke von 5 bis 10µm beschichtet. Die Maskierung ist bei der galvanischen Beschichtung nur sehr geringen Temperaturen (etwa 300°C) ausgesetzt, so dass der Aufwand für die Maskierung und das Maskierungsmaterial und die spätere Demaskierung gering ist und die vergleichsweise geringen Temperaturen keine Reaktion zwischen Maskierungsmaterial und Grundmaterial bewirken und durch die Maskierung bewirkte Folgeschäden in dem maskierten Werkstoffbereich nicht auftreten können.
  • Anschließend werden die Turbinenschaufeln in einem Ofen, und zwar in einer Schutzgasatmosphäre oder auch im Vakuum, nach einer Erwärmungsphase, in der die Schaufeln auf ca. 600°C erwärmt und 1,5 Stunden bei dieser Temperatur gehalten werden, zunächst eine Stunde bei 1100°C und danach fünf Stunden bei 1030°C einer Wärmebehandlung unterzogen, in der das Aluminium aus der galvanisch aufgebrachten Aluminiumschicht in die Nickel-Basis-Legierung und umgekehrt das Nickel in die Aluminiumschicht diffundiert. Danach werden die Schaufeln in weniger als 10 Minuten in ruhender Luft abgekühlt. Das an der Oberfläche der so erzeugten Ni-Al-Diffusionsschicht des Schaufelblatts befindliche Aluminium bildet in einer Sauerstoffatmosphäre eine Aluminiumoxidschicht, die unter Betriebsbedingungen der Schaufeln im Triebwerk eine weitere Oxidation des Schaufelmaterials verhindert.

Claims (6)

  1. Verfahren zur Ausbildung einer Aluminium-Diffusionaschicht zum Oxidationsschutz von metallischen Bauteilen durch Bildung einer Aluminiumoxid-Schutzschicht, insbesondere für aus einer Nickel-Basis-Legierung bestehenden Bauteilen einer Fluggasturbine, wobei das Bauteil in einem wasser- und sauerstofffreien organischen Elektrolyten galvanisch mit Reinaluminium beschichtet wird und das Bauteil unter einem vorgegebenen Hochtemperatur- und Zeitregime wärmebehandelt wird, wobei zur Diffusion des Aluminiums die Bauteile zunächst auf ca. 400 - 700°C erwärmt und bis zu zwei Stunden bei dieser Temperatur gehalten werden, dadurch gekennzeichnet, dass bestimmte Bauteilabschnitte zunächst maskiert werden und an die freien Bauteiloberflächen gebrachtes Aluminium oberflächennah in das Bauteil diffundiert, wobei das Bauteil in einem ersten Verfahrensschritt unter der Maskierung in dem wasser- und sauerstofffreien organischen Elektrolyten galvanisch mit Reinaluminium beschichtet wird, die Maskierung anschließend in einem zweiten Verfahrensschritt wieder entfernt wird und danach das unmaskierte Bauteil in einem dritten Verfahrensschritt in einer Schutzgasatmosphäre oder im Vakuum unter dem vorgegebenen Hochtemperatur- und Zeitregime wärmebehandelt wird, wobei die Bauteile eine Stunde bei 1100°C und fünf Stunden bei 1030°C wärmebehandelt und danach in ruhender Luft abgekühlt werden, wobei Aluminium in das Bauteil diffundiert und Legierungsbestandteile des Bauteils in entgegengesetzter Richtung in die Aluminiumschicht diffundieren.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Maskierung aus unterhalb 400°C wärmebeständigen Klebern oder Kunststoffen oder aufgeklebten Metallbändern besteht.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zu beschichtenden Bauteilabschnitte vor der Galvanisierung gereinigt und mit einem Aktivierungsmittel behandelt werden.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Aktivierungsmittel Nickelchlorid ist.
  5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die unmaskierten Bauteilabschnitte in dem aprotischen Elektrolyten in einer Schichtdicke von 5 bis 10µm beschichtet werden.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die galvanisch erzeugte Aluminiumbeschichtung in einer Beize nachbehandelt wird.
EP08101026.6A 2007-02-15 2008-01-29 Verfahren zur Ausbildung einer Aluminium-Diffusionsschicht zum Oxidationsschutz Not-in-force EP1959026B1 (de)

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