FI110875B - Suojapinnoitus - Google Patents

Description

110875

Suojapinnoitus - Skyddsbeläggning Tämä keksintö koskee suojapinnoitusten tekemistä substraateille. Sellaisia päällysteitä käytetään komponenteilla, jotka joutuvat alttiiksi korkeille lämpötiloille, erityisesti sellaisissa ympäristöissä, joissa todennäköisesti esiintyy korroosiota ja/tai 5 eroosiota. Sellaisia pinnoitteita käytetään ensisijaisesti, mutta ei välttämättä yksinomaan, kaasuturpiinimoottoreiden osissa, erityisesti sen superseoskomponenteissa, kuten kaasuturpiinimoottorin akseleissa, laipoissa, pyörissä, polttokammion osissa, staattorin ja roottorin siivissä ja ohjaussiivissä. Keksintö koskee myös sellaisia osia ja koneistoa ja kulkuneuvoja tai kiinteitä asennettuja järjestelmiä, joissa on sellaisia 10 osia.

On tiedetty kauan, että kaasuturpiinien osien, erityisesti niiden sisäisten, polttimen läheisyydessä tai sen jälkeen sijaitsevien osien tulee olla lujia ja korroosionkestäviä korkeissa lämpötiloissa.

On tunnettua varustaa sellaiset osat kuormitusta kestävällä rakenteella, joka on val-15 mistettu superseosmateriaalista, riittävän kuumalujuuden aikaansaamiseksi. Tyypil- ... lisiä käytettyjä superseoksia (esimerkkejä niistä tunnetaan kauppanimillä IN 100, :.,; ‘ IN718, IN738, MAR-M002, MAR-M247, CMSX-4, PWA1480 ja PWA1484) ovat ' · · ' Ni-, Co-ja Fe-perustaiset superseokset, kysymyksessä olevan sovelluksen vaati- : ·' muksista riippuen. Fe-ja Co-perustaiset superseokset ovat usein jähmeäliuosvahvis- : 20 tettuja. Ni-perustaisissa seoksissa on Ni pääaineosana ja ne sisältävät usein jonkin verran Cr, Co, Fe, Mo, W tai Ta ja ovat usein jähmeäliuos- tai saostusvahvistettuja. : Seostamalla vahvistettuja Ni-perustaisia seoksia käytetään yleisesti kaasuturpiinien osissa, ja ne sisältävät usein AI, Ti tai Nb saostuneen toisen faasin aikaansaamiseksi jonkin sopivan lämpökäsittelyn aikana. Esimerkkejä Ni-perustaisista saostamalla 25 vahvistetuista superseoksista, joita käytetään kaasuturpiinin osissa, ovat kauppani-. , ; millä INCO 713, B-1900, IN 100, MAR-M 200 ja MAR-M 247 tunnetut superseok- set. Esimerkkejä Co-perustaisista superseoksista ovat MAR-M 509 ja Haynes 188, ja esimerkkejä Fe-perustaisista superseoksista ovat Incoloy 802 ja Incoloy 903. Su-:.: perseoksista valmistetut kaasuturpiinin komponentit ovat joskus taottuja tai valettuja : ’ ’ ’: 30 ja vaikeampia käyttöolosuhteita varten ne voidaan jähmettää suunnatusti tai ne voi- ';' vat olla yksinkertaisten kiderakenteiden muodossa.

2 110875

Yleiseksi käytännöksi on tullut pinnoittaa superseoksista valmistettuja komponentteja korroosionsuoja-aineella, koska superseos ei tavallisesti itse pysty kestämään sy ö vyttävää/h ap e ttavaa käyttöatmosfääriä.

Eräänä käytäntönä on aluminoida superseos. Tämä suoritetaan tavallisesti käyttä-5 mällä niin sanottua pakkausaluminointimenetelmää tai fysikaalista höyrydiffuusio-menetelmää. Näissä menetelmissä alumiinia diffusoidaan superseokseen alumini-dien muodostamiseksi, kuten NiAl, kun kysymys on Ni-perustaisista superseoksista. Käytössä muodostuu AI2O3-pintakerros suojaamaan alla olevaa ainetta ja sillä on pyrkimys hilseillä lämpölaajenemisen ja -supistumisen vaikutuksesta. Tämä korjau-10 tuu vähitellen Al:n diffusoituessa ulospäin ja lopuksi, kun ei enää ole riittävästi Al:a korvaamaan hilseillyttä ainetta jossakin tietyssä kohdassa, superseoskomponentti syöpyy nopeasti paikallisesti. Kromia ja piitä, joko yhdessä tai erikseen, voidaan samaten diffusoida alumiinin lisäksi superseoksiin muodostamaan pintakerroksen, jossa on kromideja ja silisideja. Vaikka tässä viitataan pääasiassa aluminointiin, on 15 selvää, että tällaiset viittaukset tulee tulkita tarkoittamaan vaihtoehtoisesti mutatis mutandis kromausta ja/tai silisidipinnoitusta.

Vielä eräs käytäntö on pinnoittaa superseos esimerkiksi MCrAlY-, MCrAlHf-, MC-.. , rAlYHf-, MCrAlYHfSi- ja MCrAlTaY-pinnoitteella, jossa M on Co tai Ni tai Fe tai jokin niiden seos. Y:n, Si:n tai Hf:n lisääminen auttaa estämään Al203:n hilseilyä 20 pinnasta ja pidentää siten komponentin ikää. Nämä pinnoitusaineet voidaan levittää : plasmaruiskutuksella tai jollakin kerasaostusmenetelmällä, kuten menetelmällä, jota kuvaamme patentissamme GB-B-2167446. On tavallista pinnoittaa komponentti : näillä materiaaleilla 75 - 200 pm:n paksuisen tai paksumman kerroksen aikaansaa- : : miseksi. Pinnoitusmenetelmät ovat kalliita ja osien pinnoittaminen tämän kertaluo- 25 kan paksuisesti antaa niille riittävän pitkän käyttöiän, jotta kustannuksia voidaan pitää oikeutettuina. Kuitenkin koska kaasuturpiinin osien kuormitus jatkuvasti kasvaa, käy yhä ei-haluttavammaksi pinnoittaa osia, kuten roottorin siipiä aineella, joka •. : ei ole varsinaisesti rakennemateriaalia.

Vielä eräs ongelma tämän kertaluokan paksuisten kerrosten yhteydessä on se, että ’ y 30 niillä on taipumus altistua, käyttöolosuhteiden käydessä vähitellen yhä äärimmäi- ·' semmiksi uudenaikaisissa kaasuturpiineissa, lämmön aiheuttamalle väsymissäröilyl- • i · le ja tämä on erittäin epäsuotavaa, erityisesti jos pinnoitus on levitetty johonkin ;' ‘ ·. ohutseinäiseen onttoon superseoskomponenttiin, kuten turpiinin siipeen, koska pin noitteen säröily saattaa aiheuttaa siiven murtumisen.

3 110875 US-A-4933239 kuvaa 0,001 tuuman (25,4 μιη) paksuisen CoCrAlYSiHf-pinnoitteen plasmaruiskutusta Ni-perustaiselle superseokselle. Plasman kerrostamisen jälkeen pinnoitetta taotaan kevyesti lasihelmillä, aluminoidaan sementointiseoksella ja lopuksi sille suoritetaan diffuusio- ja saostuslämpökäsittelyvaiheet. Patenttijulkaisussa 5 sanotaan, että edullisin menetelmä CoCrAlYSiHf-pinnoitteen levittämiseksi on plasmaruiskutus, mutta julkaisussa mainitaan yleisesti myös, että pinnoite voidaan levittää esimerkiksi plasmaruiskutuksella, elektronisuihkuhöyrystämällä, sähköpin-noittamalla, sirotehöyryttämällä tai lietepinnoittamalla. Eräänä syynä kevyeen ta-komistoimenpiteeseen tunnetussa tekniikassa ajatellaan olevan se, että sellaisenaan 10 kerrostettu MCrAlY ei ole erityisen sileää.

Lisäksi pinnoitteen morfologia muuttuu merkittävästi aluminointiprosessissa, jonka tarkoituksena näyttää olevan alumiinin diffusoiminen täydellisesti pinnoitekerroksen läpi ja superseossubstraattiin.

Toinen ongelma on, että on vaikea taata, että avainalkuaineita Y, Si ja Hf, joita on 15 alunperin läsnä pinnoitteessa, saadaan suhteellisen suurina määrinä sopivan lähelle valmiin tuotteen ulkopintaa.

: ’ · ‘: Esillä olevan keksinnön tarkoituksena on lievittää tunnetun tekniikan ongelmia.

• Ensimmäisen aspektinsa mukaan esillä oleva keksintö koskee menetelmää pinnoit- •: · ·: teen valmistamiseksi jollekin substraatille, ja tämä menetelmä käsittää substraatin : ; *: 20 aluminoinnin, kromauksen tai pinnoituksen piillä silisidiksi ja metallimatriisin M i saostamisen käsitellylle substraatille elektrolyyttisesti tai ilman sähköä CrAlM2-hiukkaskylvystä hiukkasten kerasaostamiseksi matriisin kanssa, Mj:n ollessa Ni tai Co tai Fe tai kahta näistä alkuaineista tai niitä kaikkia ja M2:n ollessa Y, Si, Ti, Hf, Ta, Nb, Mn, Pt, jotakin harvinaista maametallia tai kahta tai useampaa näistä alku-25 aineista.

Eräs esillä olevan keksinnön etu on, että siihen ei sisälly pinnoitusmenetelmän olen-*.· naisena piirteenä kevyttä takomisvaihetta. Toinen etu on, että avainalkuaineet, kuten : Y, Si ja Hf, voidaan saada sopivan lähelle valmiin tuotteen ulkopintaa. Vielä eräs etu on, että M]CrAlM2:lle ei tarvitse suorittaa lisäaluminointia ja että sille voidaan L! 30 saada paljon parempi morfologia valmiissa tuotteessa.

4 110875

Substraatti voidaan aluminoida jollakin monista eri aluminointimenetelmistä, kuten menetelmillä, jotka käsittävät tai joihin sisältyy pakkausaluminointi, fysikaalinen höyryfaasi- tai liekkiruiskutusaluminointi, sirotehöyrystys tai sähköpinnoitus. Edullisesti substraatti aluminoidaan pakkausaluminointimenetelmällä. Samoin kromaus 5 tai silisidipinnoitus voidaan toteuttaa vastaavilla menetelmillä.

Eräässä edullisessa suoritusmuodossa substraatti platina-aluminoidaan. Tämä voi käsittää platinakerroksen saostamisen, kuten esimerkiksi sähköpinnoittamalla, ennen aluminointia tai sen jälkeen. Pinnoitettu platinakerros voi olla noin 5 pm:n tai noin 10 pm:n paksuinen. Platinan sijasta voitaisiin yhtä hyvin käyttää palladiumia tai 10 ruteniumia.

Ennen M]CrAlM2:n kerasaostamista pinnoitusmenetelmään voidaan sisällyttää jokin lämpökäsittely.

Eräässä erityisen edullisessa suoritusmuodossa, suoritettiinpa ennen MiCrAlM2:n kerasaostusta lämpökäsittely tai ei, lämpökäsittely suoritetaan MiCrAlM2:n ke-15 rasaostuksen jälkeen, jotta aikaansaadaan aluminointipinnoitteen ja MiCrAPVfy- pinnoitteen toivottu homogenisoituminen ja diffusoituminen toisiinsa. Aluminointi :·.·. suoritetaan edullisesti pakkausaluminoimalla noin 900 °C:ssa suunnilleen 6 tunnin kuluessa kontrolloidussa ilmakehässä, kuten argon- tai heliumkehässä. Sen jälkeen .A komponentille voidaan suorittaajälkidiffuusiokäsittely noin 1100 °C:ssa suunnilleen ’ 20 yhden tunnin ajan tyhjiössä ja sitten pinnoitetta vanhennetaan noin 870 °C:ssa suun nilleen 16 tuntia tyhjiössä. Vaihtoehtoisesti tai tämän lisäksi komponentille voidaan ' ’·· suorittaa, sen jälkeen kun MiCrAlM2-kerros on saostettu alumiinikerroksen päälle, .· · lämpökäsittely noin 1050 °C:ssa suunnilleen 2 tuntia tyhjiössä.

Mielestämme MiCrAlM2-kerroksella saadaan erityisen sopiva sidospinnoite seuraa-25 van lämmönsulkukerroksen, kuten zirkoniumoksidin, joka voidaan stabiloida (esimerkiksi kalkilla tai yttriumoksidilla stabilointi), levittämistä varten. Lämmönsulku-materiaali voidaan kerrostaa pylväsmateriaalin muodossa. Edullisesti lämmönsulku-kerroksen paksuus on suurempi kuin 25 pm ja se voi olla 100 - 250 pm:n paksuinen.

Lämmönsulku toteutetaan edullisesti elektronisuihkumenetelmällä, fysikaalisella ; 30 höyrysaostusmenetelmällä tai plasmaruiskutuksella ilmassa.

5 110875 Tässä keksinnössä pidämme edullisimpana M i CrAlM2-saostuksen aikana virrantiheyttä, joka on pienempi kuin 5 mA ja vielä edullisemmin pienempi kuin 3 mA ja 2 vieläkin edullisemmin pienempi kuin 2,5 mA/neliösenttimetri. Noin 2 mA/cm virrantiheys on vieläkin edullisempi määrätyissä olosuhteissa, eräs esimerkki on vir- 2 5 rantiheys noin 1 mA/cm .

Suhteellisen pienillä virrantiheyksillä, joita tässä keksinnössä voidaan käyttää, havaitsemme hiukkasten koostumuksen saostuneella pinnoitteella pyrkivän eroamaan kylvyssä esiintyvästä kokoonpanosta siinä, että pienemmät hiukkaset siirtyvät ensisijaisesti pinnoitteelle (esim. käytettäessä <15 pm:n jauhetta >10 pm:n 10 hiukkaset eivät siirry anodille yhtä preferentiaalisesti kuin <10 pm:n hiukkaset). Tämä on erityisen hämmästyttävää, koska Faradayn elektrolyysilakeihin ja Stokesin yhtälöön perustuvan teorian (katso Transactions of the Institute of Metal Finishing, artikkeli, jonka otsikko on "The Production of Multi-Component Alloy Coatings by Particle CoDeposition", J. Foster et al., ss. 115-119, Vol. 63, mo 3-4, 1985) 15 mukaan, olettaen että käytetään sopivia virrantiheyttä ja sekoitusta koskevia olosuhteita, mitä suurempi on hiukkaskoko, sitä pienempi tarvitsee kylvyn panoksen olla, jotta saadaan jokin haluttu fraktio jauheesta saostuneeseen pinnoitteeseen. Sen mukaan odottaisi suurempien hiukkasten ensisijaisesti siirtyvän pinnoitteeseen, mutta olemme havainneet, että suhteellisen pienillä virrantiheyksillä tapahtuu : V 20 päinvastoin.

20 Eräässä suoritusmuodossa M ] sisältää Co. Tämä edistää erityisen sileän pinnoitteen • · muodostumista. Jos halutaan, että Ni on läsnä pinnoitteessa, esinikkelöinti voidaan 1 tehdä joko kerasaostetun materiaalin päälle tai suoraan aluminidipinnoitteelle ennen : : kerasaostusvaihetta. Esinikkelöinti voi olla noin 2 pm:n paksuinen.

Metallimatriisimateriaalin ja kerasaostettavien hiukkasten kannalta on eduksi, että 25 muodostetaan kerros, jonka paksuus on alle 50 pm, tai vielä edullisemmin alle 25 pm. Eräässä erityisen edullisessa suoritusmuodossa kerros voi olla noin 15 pm : *.· paksu. Kerros voi kuitenkin olla ohuempi kuin 15 mikronia, noin 12 tai 10 pm tai ;" ’ vieläkin ohuempi, näiden arvojen ollessa esimerkkejä. Useimmissa sovelluksissa on eduksi, että kerros on 5 pm tai paksumpi, vielä edullisempaa on, että se on 10 pm 30 tai paksumpi. Kerros voi kuitenkin joissakin sovelluksissa olla yli 15 pm:n paksuinen.

6 110875

Kerasaostaminen on edullista suorittaa siten, että kylvyssä on vähemmän kuin 40g/l hiukkasia. Vielä edullisemmin käytetään kylpypanoksena noin 30 g/1 tai alle 30 g/1. Vieläkin edullisemmin käytetään panoksena noin 20 g/1 tai alle 20 g/1. Eräässä erityisen edullisessa suoritusmuodossa käytetään kylpypanoksena noin 10 g/1, vaikka 5 pienemmätkin panokset, kuten noin 1 g/1, ovat ajateltavissa. Nämä suhteellisen pienet kylpypanokset takaavat, että saostettu päällyste ei muodostu huokoiseksi.

Hiukkaset voivat olla pallomaisia ja ne voidaan muodostaa käyttämällä jotakin su-mutinta, kuten suutinsumutinta.

Hiukkaset ovat kylvyssä edullisesti <15 pm:n, <12 pm:n tai <10 pm.n jauheena.

10 Eräässä edullisessa suoritusmuodossa hiukkasjakautuma kylvyssä muodostuu 25 %:sta väliltä 15 - 12 pm, 45 %:sta väliltä 12 - 10 pm ja 30 %:sta pienempiä kuin 10 pm. Olemme havainneet yllättävästi ja odottamattomasti, että saostettaessa suhteellisen pienillä virrantiheyksillä pienemmät hiukkaset saostuvat ensisijaisesti; kun käytetään jauhetta, jonka kokojakautuma kylvyssä on tällainen, voi tuloksena olla 15 saostuneessa M ] CrAlM2-pmnoitteessa jakautuma (painoprosentteina kerroksessa olevasta jauhemäärästä), jossa 45 % on <10 pm, 55 % 10 - 12 mikronia ja 0 % 12 -I’·'; 15 pm.

·*· Erinomaisia päällysteitä voidaan saada menetelmillä, joihin sisältyy tämä raffinoin- •; · ·' tivaihe ja edullisesti raffinointivaihe sisältyy kerasaostusvaiheeseen.

• · 20 Eräässä erityisen edullisessa suoritusmuodossa saostetaan suojaava M]CrAlM2-kerros, joka sisältää vain hiukkasten monokerroksen tai kaksoiskerroksen. Esimerkiksi kun <15 pm:n jauhe suspendoidaan kylpyyn, on raffinoinnin ansiosta haluttaessa mahdollista saada olennaisesti yhtenäinen 12 tai 10 pm:n monokerros hiukkasia (suurimmat saostuneet hiukkaset ovat kooltaan 12 tai 10 pm vastaavasti).

I.. 25 Eräässä toisessa edullisessa menetelmässä voidaan käyttää 4-8 pm.n jauhetta, jotta ’ *; . saadaan kaksoiskerros tai kolmoiskerros, joka on toiveesta riippuen 10, 12, 15 tai 20 : _ ’· mikronin paksuinen.

-; Niinpä tarvitsemme ainoastaan suhteellisen pienen määrän tai ohuelti MiCrAlM2:ta . · · ·. hyödyllisten alkuaineiden, kuten Y:n, Si:n tai Hf:n, jotka auttavat estämään AI2O3 :n 30 hilseilyä, saostamiseen. Tämä on erittäin suotavaa, kun kysymys on kaasuturpiinien 7 110875 osista, kuten roottorin siivistä, koska substraatilla (kuten roottorin siivellä) olevien pinnoitusaineiden kokonaispaksuus ja sen mukana paino voidaan saada pienemmäksi huonontamatta korroosiosuojauksen tasoa. Tällöin roottorin siipi on vahvempi painoonsa nähden ja näin ollen kestää suurempia pyörintä- tai aerodynaamisia voi-5 mia, jolloin kaasuturpiinin suorituskyky paranee.

Aluminidikerros voi alunperin olla 30 - 60 pm:n paksuinen (50 pm tyypillinen) ja MiCrAlM2-kerros voi alunperin olla 10 - 50 μιη:η paksuinen lämpökäsittelyn jälkeen, aluminidikerroksessa on sisempi diffuusiovyöhyke, jossa Al-pitoisuus on pienempi ja jonka paksuus on 10-20 pm, ja ulompi vyöhyke, jossa Al-pitoisuus on 10 suurempi ja jonka paksuus on 20 - 40 pm. Lämpökäsittely ei olennaisesti vaikuta MiCrAlM2-kerroksen paksuuteen. Aluminidikerroksen paksuuden suhde MiCrAlM2-kerroksen paksuuteen on edullisesti 4:1 (kokonaispaksuuden ollessa esimerkiksi 50 pm) - 1:1 (kokonaispaksuuden ollessa esimerkiksi 110 pm). Kaikki mainitut paksuudet kasvavat silloin, kun lämmönsulkukerros on mukana; sellaisen 15 kerroksen paksuus voi olla 100 - 250 pm.

Eräässä suoritusmuodossa substraatti, jolle aluminointiaine levitetään, käsittää su-perseoksen, joka voi muodostaa kaasuturpiinin osan.

, · · · Substraatti voi käsittää jonkin kaasuturpiinin osan minkä tahansa kaasun huuhtele- • -'! man substraatin, kuten siiven kantopinta-, tyvi- tai yhdistysvanneosan.

20 Kerasaostuksen jälkeen kerasaostettu materiaali voi muodostua yli 40 %:sta (tilavuus) hiukkasia ja joissakin sovelluksissa yli 45 %: sta.

Kerasaostusprosessin aikana kaasua, kuten ilmaa tai jotakin inerttiä kaasua, voidaan laskea kylpyyn sellaisesta kohdasta, että liuoksessa syntyy liikettä yleisesti ottaen ylöspäin yhdessä vyöhykkeessä ja yleisesti ottaen alaspäin toisessa vyöhykkeessä, 25 substraatin ollessa toisessa vyöhykkeessä kerasaostuksen aikana. Substraattia (tai ‘ , komponenttia, jonka osa se on) voidaan kääntää akselin ympäri, joka on vaakasuora ί tai jolla on vaakasuora komponentti kerasaostuksen aikana. Voidaan käyttää sähkö- : ‘ ’' saostuslaitetta, jota kuvataan patentissamme GB-B-2182055.

, Joissakin olosuhteissa saattaa olla suotavaa, että kerasaostuksen aikana substraattia 30 pyöritetään ensimmäisen akselin ympäri, jolla on vaakasuora komponentti, ja että 8 110875 substraattia pyöritetään toisen akselin ympäri, joka ei ole samansuuntainen ensimmäisen akselin kanssa. Sykli, jossa substraattia pyöritetään ensimmäisen akselin ympäri, voi sisältää jaksoja, joissa kulmanopeus on suurempi, ja jaksoja, joissa kulmanopeus on pienempi. Toinen akseli voi olla kohtisuorassa ensimmäistä akselia 5 vastaan ja/tai leikata sen. Ensimmäisen akselin ympäri pyörityssykli voi vaihtoehtoisesti olla pysäytys-käynnistyssykli. Kun substraattia pyöritetään vain yhden akselin, jolla on horisontaalikomponentti, ympäri, pyörityssykli voi sisältää jaksoja, joissa kulmanopeus on suurempi, ja jaksoja, joissa kulmanopeus on pienempi, ja pyöritys voi myös vaihtoehtoisesti olla pysäytys-käynnistyssykli. Substraatin käsittely voi 10 tapahtua patentissamme GB-G-2221921 kuvatun menetelmän mukaisesti.

Toisen aspektinsa mukaan esillä oleva keksintö koskee kaasuturpiinikomponentin valmistus- tai kunnostusmenetelmää, jossa komponentin substraatti pinnoitetaan keksinnön ensimmäisen aspektin mukaisesti.

Kolmannen aspektinsa mukaan esillä oleva keksintö koskee kaasuturpiinikompo-15 nenttia tai kaasuturpiinia, joka sisältää komponentin, joka on valmistettu tai kunnostettu keksinnön toisen aspektin mukaisesti.

Neljännen aspektin mukaan esillä oleva keksintö koskee kulkuneuvoa tai kiinteästi :*’* asennettua koneistoa, joka käsittää keksinnön kolmannen tunnusmerkin mukaisen ) ‘ ' kaasuturpiinin. Keksinnön tämän tunnusmerkin mukainen kulkuneuvo voi olla esi- » · .... 20 merkiksi lentokone tai vesi- tai maakulkuneuvo.

; Y Keksintö voidaan toteuttaa eri tavoin, mutta seuraavassa kuvataan erästä pinnoitus- menetelmää esimerkinomaisesti viitaten liitteenä oleviin kaavamaisiin piirustuksiin, joissa: kuvio 1 on perspektiivikuva eräästä pinnoituslaitteesta; :, ’ · 25 kuvio 2 on sivukuva laitteesta; : ' kuvio 3 on etukuva laitteesta; ja , y ’ kuvio 4 on perspektiivikuva telineestä, johon pinnoitettavat esineet ripustetaan.

* * t \.. Sarja superseosmateriaalista valmistettuja kaasuturpiinin siipiä 42 on määrä pinnoit- .: taa suojamateriaalilla prosessissa, jossa sille saostetaan kaksi tai kolme kerrosta ma- ’ ·' · * 30 teriaalia. Ensiksi siivet pakkausaluminoidaan ja sen jälkeen ne pinnoitetaan käyttäen 9 110875 piirustuksissa esitettyä kerasaostuslaitetta. Valinnaisena kolmantena vaiheena saos-tetaan sen jälkeen kerros lämmönsulkumateriaalia.

Piirustuksissa esitetty laite käsittää astian tai säiliön 1, jossa on parallellipipedin muotoinen yläosa 2 ja alaspäin suipentuva alaosa 3 nurin käännetyn pyramidin muo-5 dossa ja joka on viistottu siten, että yksi sivupinta 4 muodostaa yläosan yhden sivun 5 jatkeen.

Astia 1 sisältää jakoseinän 6, joka on astian sivupintojen 4 ja 5 kanssa samansuuntaisessa pystysuorassa tasossa ja on kosketuksessa sivureunoistaan 7 ja 8 astian viereisten pystysuuntaisten ja viistojen pintojen kanssa. Jakoseinä jakaa siten astian 10 suurempaan työskentelyvyöhykkeeseen 9 ja pienempään palautusvyöhykkeeseen 11. Alaosastaan jakoseinä 6 päättyy vaakasuoraan reunaan 12 astian pohjan yläpuolella, jolloin työskentelyvyöhykkeen 9 ja palautusvyöhykkeen 11 välille jää yhteys 13. Yläosastaan jakoseinä 6 päättyy vaakasuoraan reunaan 14 astian 1 yläreunojen alapuolelle.

15 Palautusvyöhykkeen 11 alapäässä on ilma-aukko 15, joka on liitetty ilmapumppuun (ei esitetty). Työskentelyvyöhykkeeseen 9 on asennettu teline 21, johon pinnoitetta-Γ * vat työkappaleet kiinnitetään ja joka on sovitettu liikuttamaan työkappaleita astiassa :"' tavalla, j ota kuvataan tuonnempana yksityiskohtaisemmin.

•: ‘1 Kun laitetta on määrä käyttää elektrolyyttiseen pinnoitukseen, se varustetaan johti- : ; ’ 20 millä jännitteen saamiseksi työkappaleeseen, joka on asennettu anodiin liittyvään . *: * telineeseen 21, joka on ripustettu työskentelyvyöhykkeeseen.

Laitteen käyttämiseksi pinnoitteen kerasaostamiseen työkappaleille työkappaleet asennetaan telineeseen 21, joka asemoidaan astiaan kuvatulla tavalla. Ennen teli-neen asemoimista tai sen jälkeen astia täytetään tasolle 17 saakka jakoseinän 6 ylä-25 reunan 14 yläpuolelle pinnoitusliuoksella, joka sisältää hiukkasia, jotka on määrä ’ · kerasaostaa. Ilmaa syötetään aukkoon 15 ja se nousee ylös palautusvyöhykettä 11 v nostaen liuosta ja sen mukana hiukkasia. Palautusvyöhykkeen yläosassa ilma menee ulos ja liuos ja hiukkaset virtaavat jakoseinän yläreunan 14 muodostaman leveän : patoharjan yli ja virtaavat alaspäin telineessä 21 olevien työkappaleiden ohi. Työs- ’ · · 30 kentelyvyöhykkeen pohjalla hiukkaset pyrkivät laskeutumaan ja liukuvat alas astian 10 110875 kaltevia sivuja pitkin kohti yhteyttä 13, josta ne menevät taas liuokseen ja kulkevat sen mukana uudestaan ympäri.

Kun alaspäin vaeltavat hiukkaset työskentelyvyöhykkeessä 9 ympäröivät työkappa-leen, ne pyrkivät laskeutumaan työkappaleelle, missä ne joutuvat upoksiin metalliin, 5 jota samanaikaisesti saostuu ulos

Kuten kuviossa 4 on esitettyjä kuten patentissa GB-B-2254338 kuvataan, pinnoitettavat työkappaleet asennetaan telineeseen 21, joka ripustetaan astiaan 1. Teline on esitetty yksinkertaistetussa muodossa kuvioissa 2 ja 3, mutta jätetty pois kuviosta 1 selvyyden vuoksi. Teline 21 käsittää kannen 22, joka sopii astian 1 päälle, toisessa 10 päässä riippuvan pylvään 23 ja toisessa päässä parin riippuvia ohjaimia 24. Ohjaimissa 24 on vastakkain olevat ohjausradat, joissa liukuu poikittaiskelkka 25, joka kannattaa pystysuoraa hammastankoa 26, joka menee ylöspäin kannessa 22 olevan aukon 27 läpi ja on kosketuksessa hammasrattaan 28 kanssa, jota käyttää vaih-tosuuntainen sähkömoottori 29. Kansi 22 kannattaa toista sähkömoottoria 31, joka 15 käyttää pystysuoraa tankoa 32, jossa on kartiohammaspyörä 33, joka kytkeytyy kruunuhammaspyörään 34, joka on kiinnitetty pylvääseen 23 asennetun akselin tapin 35 toiseen päähän. Akselin tapin 35 toinen pää on kytketty kardaaninivelellä 36 akselin 37 toiseen päähän, jonka akselin toista päätä kannattaa poikittaiskelkassa 25 ‘laakeri 38, jonka asennoitumispinnat ovat pallomaiset.

» * * .,20 Akselissa 37 on monta haaraa, jotka on kiinnitetty siihen jäykästi ja joista ainoastaan yksi haara 39 on esitetty kuviossa 4. Haara 39 on tasossa, joka sisältää akselin 37 akselin, haarautuman pitkittäissuuntaisen akselin muodostaessa kulman a akselin 37 akselin kanssa. Haaraa 39 pitkin on asennettu välimatkan päähän toisistaan kolme päällystettävää kaasuturpiinin siipeä 42, siipien pitkittäissuuntaisten akselien 25 ollessa mainitussa tasossa ja kohtisuorassa haaran 39 pitkittäissuuntaista akselia vastaan, jolloin siipien pitkittäisakselit muodostavat (90-a)° kuhnia akselin 37 akselin ; ’. kanssa.

;'; * Kanteen 22 on asennettu sähkömoottorin ohjauskytkin 43, joka on kytketty johdoilla 44 ja 45 moottoreihin 29 ja 31. Ohjauskytkimen 43 tehtävänä on käyttää moottoria 30 31 vain yhteen suuntaan, mutta pysähtyen välillä niin, että se pyörittää akselia 37 - i nimellisesti vaakasuoran akselin (x-akselin) ympäri. Ohjauskytkimen 43 tehtävänä on käyttää moottoria 29 vuorotellen vastakkaisiin suuntiin poikittaiskelkan 25 kul- 11 110875 jettamiseksi edestakaisin ja siten aikaansaada x-akselin ympäri pyörinnän lisäksi värähtelevä pyörintä pyörimisakselin (y-akselin) ympäri kardaaninivelessä 36.

Kulma a ja moottorien 29 ja 31 suorittamien syklien parametrit valitaan siten, että ne sopivat pinnoitettavana olevaan työkappaleeseen, jotta taataan, että kaikki pinnoi-5 tettavat pinnat ovat tarpeeksi pitkään yleisesti ottaen ylöspäin, jotta ne saavat sopivan annoksen laskeutuvia hiukkasia, joiden on määrä liittyä pinnoitettuun metalliin, kun se saostetaan. Seuraavassa kuvataan esimerkinomaisesti eräs erityisesimerkki pinnoituksesta ja sen valmistusmenetelmästä.

Esimerkki 10 Pinnoitus on määrä tehdä kaasuturpiinin siipeen 42, jossa on kantopintaosa 43 ja tyviosa 44 toisessa päässä ja yhdistysvanneosa 45 toisessa päässä, tyven ja yhdistys-vanteen jalustaosien ollessa kumpikin suunnilleen 70° kulmassa kantopintaosan akseliin nähden, ja tyviosassa ja yhdistysvanneosassa on päätypinnat, jotka ovat vastaavassa järjestyksessä 30° ja 40° kulmissa renkaan, jonka osan siipi muodostaa, ke-15 hään nähden. Tämän geometrian mukaisilla siivillä kulma a on 70°.

Tarkoituksena on tuottaa siiven kantopinta- ja jalustaosiin aluminointipinnoitus ja i'·' sen jälkeen pinnoitus, joka sisältää 18,32 paino-% Cr, 8,25 paino-% AI, 0,457 pai- ;" ‘ no-% Y ja loput kobolttia. Viimeksi mainitun pinnoituksen aikaansaamiseksi kylpy t » ; *. ‘ täytetään kobolttipinnoitusliuoksella, joka käsittää 400 grammaa/litra C0SO4.7H2O, > < ,. 20 15 grammaa/litra NaCl ja 20 grammaa/litra boorihappoa H3BO3. Kylvyn pH pide- t tään arvossa 4,5 ja lämpötila 45 °C:ssa. Kylpyyn lisätään 10 gramman/litra konsent-1 *! raatioon saakka jauhetta, jonka kokojakautuma on 5 - 15 mikrometriä ja joka muo dostuu 67,8 paino-%:sta kromia, 30,1 paino-%:sta alumiinia ja 1,7 paino-%:sta ytt-riumia.

, 25 Ensiksi siiven kantopinta- ja tyven jalustaosia aluminoidaan pakkausaluminointime- ’ \'t netelmällä 900 °C:ssa 6 tuntia argonissa. Sitten aluminidikerrokselle suoritetaan jäi- kidiffuusio 1 tunnin ajan 1100 °C:ssa tyhjiössä ja sitä vanhennetaan 16 tuntia 870 °C:ssa tyhjiössä.

* t » * 1 »

Ennen pinnoittamista CoCrAlY-materiaalilla tyven osille ja yhdistysvanneosille, ! 30 joita ei ole määrä pinnoittaa, tehdään vahamaski ja muille pinnoille suoritetaan ta vanomaiset kobolttipinnoitukselle sopivat valmistelukäsittelyt.

i2 110875

Siipi kiinnitetään telineeseen 50 akselistaan (katso kuvio 4) 20° kulmaan telineen akseliin x nähden, joka on vaakasuora. Pinnoituksen aikana telineen x-akselia kään-nellään plus ja miinus 25° y-akselin, joka on kohtisuorassa x-akselia vastaan, ympäri 3 minuutin sykleissä. Samanaikaisesti telinettä käännetään x-akselin ympäri yhteen 5 suuntaan ja 360° kautta, täyden pyörähdyssyklin kestäessä 10 minuuttia. Pyörintä akselin x ympäri tapahtuu kuitenkin jaksoittain 10 sekunnin pysähdysjaksojen katkaistessa 3 sekunnin käyntijaksot.

2

Pinnoitus suoritetaan virrantiheydellä 1,5 ampeeria/cm riittävän pitkän ajan, jotta saadaan olennaisesti 12 pm paksuinen pinnoitus.

10 Saadaan laadultaan erinomainen pinnoitus, joka kattaa kantopintaosan ja tyven ja yhdistysvanteen jalustat ja jossa käytetyn jauheen paino-osuus on 0,27.

Pienemmät hiukkaset saostuvat ensisijaisesti ja olennaisesti yksikään juurisaostu-neista hiukkasista ei ole kooltaan >12 pm, suurempien hiukkasten jäädessä pinnoi-tusliuokseen (s. o. 12 - 15 pm kokoiset). Pinnoitettujen siipien telineestä poistami-15 sen jälkeen suojaus poistetaan.

: : Sitten siipeä lämpökäsitellään 1050 °C:ssa 2 tuntia tyhjiössä.

': Erityisen edullisia M2-alkuaineita ovat Y, Hf ja Si.

·.' ‘ Keksinnön mukaisesti valmistetut pinnoitteet kestävät hyvin hapettumista ja läm möstä aiheutuvaa väsymistä.

20

Claims (10)

13 110875

1. Menetelmä pinnoitteen valmistamiseksi substraatille, tunnettu siitä, että mainittu substraatti ensiksi aluminoidaan, kromataan tai pinnoitetaan piillä silisidiksi, sitten mainitulle substraatille saostetaan elektrolyyttisesti tai ilman sähköä metalli- 5 matriisi Mi kylvystä, joka sisältää CrAlM2-hiukkasia saostettaviksi yhdessä matriisin kanssa, jossa M] on ainakin yksi alkuaine, joka on valittu ryhmästä, jonka muodostavat Ni, Co ja Fe, ja M2 on ainakin yksi alkuaine, joka on valittu ryhmästä, jonka muodostavat Y, Si, Ti, Hf, Ta, Nb, Mn, Pt ja harvinaiset maametallit.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että se käsittää 10 lisäksi lämpökäsittelyn joko ennen tai jälkeen MiCrAlM2:n kerasaostuksen, ja että mikäli mainittu lämpökäsittely tapahtuu ennen mainittua kerasaostusta, mainittu käsittely käsittää mainitun aluminoidun, kromatun tai silisidipinnoitetun substraatin altistamisen noin 1 100 °C:lle noin yhdeksi tunniksi tyhjiössä, ja mikäli mainittu lämpökäsittely tapahtuu mainitun kerasaostuksen jälkeen, mainittu käsittely käsittää 15 mainitun kerasaostetun aineen altistamisen noin 1 100 °C:lle noin yhdeksi tunniksi tyhjiöolosuhteissa.

3. Minkä tahansa edellä olevan patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tun- . . nettu siitä, että se käsittää MiCrAlM2:n kerasaostuksen jälkeen lisäksi lämmönsul- kumateriaalikerroksen levittämisen. ‘ · ‘: 20

4. Minkä tahansa edellä olevan patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tun- : · ·; nettu siitä, että mainittu M]CrAlM2:n kerasaostus tapahtuu virrantiheydellä, joka 2 . ·. on pienempi kuin 5 mA/cm .

5. Minkä tahansa edellä olevan patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että mainittu metallimatriisimateriaalin ja hiukkasten kerasaostus muo-25 dostaa kerroksen, joka on alle 50 pm:n paksuinen.

,·, : 6. Minkä tahansa edellä olevan patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tun- ' nettu siitä, että mainittu metallimatriisimateriaalin ja hiukkasten kerasaostus suorite- ': taan kylpypanoksella, jossa hiukkasia on vähemmän kuin 40 g/1.

7. Minkä tahansa edellä olevan patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tun-30 nettu siitä, että mainittu aluminointi, kromaus tai silisidipinnoitus muodostaa alu- . * minidi-, kromidi- tai silisidikerroksen, vastaavasti, jonka paksuus on 30 - 60 μτη. i4 110875

8. Patenttivaatimuksen 2 tai minkä tahansa edellä olevan patenttivaatimuksesta 2 riippuvan patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että mainittu aluminointi, kromaus tai silisidipinnoitus muodostaa aluminidi-, kromidi- tai si-lisidikerroksen, joka mainitun lämpökäsittelyn jälkeen käsittää sisemmän diffuusio- 5 vyöhykkeen, jossa AI-, Cr- tai Si-pitoisuus on suhteellisesti vähäisempi ja jonka paksuus on 10-20 pm, ja ulomman vyöhykkeen, jossa AI-, Cr- tai Si-pitoisuus on suhteellisesti suurempi ja jonka paksuus on 20 - 40 pm.

9. Minkä tahansa edellä olevan patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että mainittu aluminointi, kromaus tai silisidipinnoitus muodostaa en- 10 simmäisen, aluminidia, kromidia tai silisidia olevan kerroksen ja mainittu kerasaos-tus muodostaa toisen, MiCrAlM2-kerroksen, ja että ensimmäisen kerroksen ja toisen kerroksen paksuussuhde on 4:1 - 1:1.

10. Minkä tahansa edellä olevan patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että substraatti on valittu ryhmästä, jonka muodostavat kaasuturpiinin 15 akseli, laippa, pyörä, polttokammion osat, staattorin siipi, roottorin siipi, ohjaussiipi, kaasuturpiinin siiven kantopintaosa, kaasuturpiinin siiven tyviosa ja kaasuturpiinin siiven yhdistysvanneosa. , . Patentkrav