ITPR20130009A1 - Processo di rivestimento a bassa temperatura di leghe metalliche utilizzante una lega di alluminio come sorgente di alluminio - Google Patents
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Description
DESCRIZIONE
TITOLO: PROCESSO DI RIVESTIMENTO A BASSA TEMPERATURA DI LEGHE METALLICHE UTILIZZANTE UNA LEGA DI ALLUMINIO COME SORGENTE DI ALLUMINIO
CAMPO DELL'INVENZIONE
La presente invenzione si riferisce ai processi di rivestimento per la protezione di componenti di turbine in superlega, protezione sia da ossidazione che corrosione a caldo; detto processo per produrre il rivestimento di diffusione su substrato metallico utilizza una lega di alluminio come sorgente di alluminio - "donatore" - ed avviene ad una temperatura inferiore a 700° C in presenza di un "attivatore", in cui il processo di attivatore è un fluoruro di alluminio non significativamente solubile in o reattivo con acqua.
In alternativa al fluoruro potrà essere impiegato un alogenuro.
STATO DELL'ARTE
Materiali in grado di operare a lungo termine e in vapore ad alta pressione al di sopra di 650°C sono necessari al fine di aumentare ulteriormente l'efficienza termica delle turbine in impianti a vapore e di conseguenza ridurre il livello di emissioni di gas senza incorrere aumento dei costi.
Sono noti una varietà di metodi per produrre rivestimenti di pale di turbina, ma ciascuno deve soddisfare alcuni requisiti essenziali.
Il processo deve essere in grado di produrre rivestimenti uniformi e dallo spessore controllato anche sulle parti a geometria complessa che sono metallurgicamente legati alla lega substrato.
Sebbene la tecnologia delle turbine a gas sia intrinsecamente costosa, il costo del rivestimento non può essere ignorato e deve essere considerato in relazione al costo della pala specialmente quando rivestiono piccole pale di turbine.
Per alluminare, la tecnica di rivestimento più utilizzata attualmente è quella della cementazione,
I processi noti come diffusione "pack cementation" possono essere considerati come un processo di deposizione di vapore chimico (CVD) effettuato con l'ausilio di una miscela di polveri (pack), in cui la parte da rivestire (substrato) viene immerso o sospeso, contenente una miscela di alluminio (o una lega di alluminio) come "donatore”, un alogenuro o un fluoruro come "attivatore" (NH4CI, NH4F o AIF3) e una carica inerte come ossido di alluminio.
Sono stati compiuti progressi costanti nel corso degli ultimi due decenni per migliorare la resistenza meccanica alle alte temperature e resistenza alla fatica delle leghe di acciaio che contengono in genere 9-12% in peso di cromo e 1% in peso di molibdeno, attraverso la modificazione della lega il controllo della microstruttura. Tuttavia, a causa del relativamente basso contenuto di Cromo, questi tipi di acciai ossidano e corrodono rapidamente e facilmente in ambiente di vapore ad alta temperatura.
Uno dei modi ovvi per migliorare la resistenza all'ossidazione al vapore ad alta temperatura di questi tipi di acciai legati, conservando le loro proprietà meccaniche, è quello di depositare un rivestimento protettivo superficiale che può efficacemente isolare l'acciaio dall'ambiente vapore ad alta temperatura.
Recenti studi hanno dimostrato che Al contenente rivestimenti come FeAI, FeCrAI e NiAI, che sono in grado di formare una stabile AI2O3ad alte temperature, sono promettenti candidati al rivestimento.
Questi tipi di rivestimenti con base Al sono normalmente depositati utilizzando processi spruzzo termico come processi ossicombustibili ad alta velocità (FIVOF), che sono difficili da applicare ai componenti cappotto di geometrie complesse.
Un altro approccio consiste nel modificare chimicamente la superficie di acciaio arricchendolo di alluminio per formare composti intermetallici dell'alluminuro.
Questo può essere realizzato con processo di alluminatura (pack cementation), che è un processo di trattamento termochimico a basso costo superficiale.
È un processo convenzionalmente utilizzato per alluminare superleghe a base di nichel. Infatti, alcuni ricercatori hanno utilizzato il processo pack cementation per alluminare acciai e studiato la resistenza all'ossidazione dei rivestimenti così formate. Tuttavia, questo processo richiede attivazione termica. E di conseguenza, in quasi tutti questi studi, le temperature utilizzate per eseguire il processo era pari 0 superiore a 800°C, che fatalmente degradano le proprietà meccaniche degli acciai.
Il processo di cementazione è essenzialmente un processo di deposizione chimica da fase vapore (CVD) normalmente utilizzato per alluminare superleghe a base di nichel o acciai per migliorare la loro ossidazione ad alta temperatura e resistenza alla corrosione.
Il processo è semplice da utilizzare e facile da applicare ai componenti da rivestire di varie dimensioni e geometrie complesse.
Un certo numero di studi fondamentali sono stati condotti per determinare sistematicamente l'effetto della chimica delle polveri (pack) e condizioni di processo sulla cinetica di crescita di rivestimenti alluminuro su leghe per applicazioni ad alta temperatura.
Particolarmente notevoli sono quelli riportati da Levin e Cave su una superlega di nichel-base St 982 ° C a 1149 ° C, Seigle e collaboratori di nichel, leghe Ni-Cr, e ferro puro a 800 ° C a 1150 ° C '"piolo e Rapp il ferro puro a 900 ° C;" Akuezue e Stringer su leghe Fe-Cr a 850 ° C a 1000 ° C;. Soliman El Al acciai al carbonio a 750 ° C a 900 ° C; Levin et al. il ferro puro a 700 ° C a 900 ° C e Xiang et al. su una superlega di nichel-base a 800 ° C a 1100 ° C.
Si può notare che quasi tutti questi studi precedenti sono state effettuate a temperature superiori a 750 ° C.
Il presente trovato non riguarda superleghe a base di nichel. Tuttavia, per gli acciai come l'acciaio 9-12 Cr-Mo (percentuale sul peso), utilizzato ampiamente nei generatori di turbine a vapore, trattamenti termici di potenza e mantenuti per lunghi periodi a queste temperature, normalmente della durata di 6 a 30 ore per un ciclo pacco alluminatura , possono seriamente compromettere la forza e la resistenza allo scorrimento di queste leghe in seguito alla degradazione del grano e precipitazione dei carburi.
Per preservare la microstruttura e quindi impedire una tale degradazione delle proprietà meccaniche, può essere utilizzato il metodo descritto qui accluso.
Come precedentemente scritto, rivestimenti di cementazione di diffusione possono essere considerati come una deposizione di vapore chimico (CVD) di processo effettuato con l'ausilio di una miscela di polveri (pack), in cui la parte da rivestire (substrato) viene immerso o sospesa, contenente una miscela di alluminio (o lega di alluminio) come "donatore", un alogenuro (o un fluoruro) "attivatore" (NH4CI, NH4F o AIF3) e una carica inerte come ossido di alluminio.
La cementazione con N H4CI è caratterizzato da reazioni seguenti: riscaldandosi il N H4CI si decompone, a temperature di 300°C, in N H3 (e in seguito N2 e H2) e HCI che reagiscono con la sorgente di Al nel pack di AICI3.
A temperature oltre 600°C i AICI3 lega ulteriore alluminio aggiuntiva per formare AICI.
Sulla superficie di lega di Fe questo AICI si scinde in Al e AICI3; l'alluminio Al si diffonde nella lega di Fe per formare un alluminuro Fe, mentre i restanti AICI3 prendono nuovo Al dall'origine. Secondo il diagramma di fase Al-Fe sarà principalmente sia l'intermetallico Fe2AI5 (ad elevate concentrazioni AL) o (a concentrazioni inferiori Al) la lega FeAI intermetallico formato.
L'intervallo di temperatura del processo di cementazione è dipendente dalla temperatura quando gli mono-alogenuri mostrano una significativa pressione parziale.
Secondo i dati termodinamici le pressioni parziali di questi Ai-mono alogenuri (AICI o AIF) può essere riconosciuta se la temperatura minima di cementazione è di circa 600 ° C.
Rivestimenti ottenuti da processi pack cementation con differenti leghe Al e alogenuri utilizzanti acciai ferritic e martensitici a 650°C sono stati confrontati con rivestimenti ricevuti dal "puro" CVD alluminatura con Al come donatore e AICI come specie reattive.
Per ricevere un rivestimento omogeneo e distribuito dal processo di alluminatura CVD è indispensabile utilizzare temperature molto elevate (superiori a 1000°C), lo spessore del rivestimento sarà molto elevato la struttura esterna è un rivestimento sottile con un crescente verso l'interno strato cresciuto diffusione di spessore. La composizione del rivestimento ottenuto è principalmente di Fe2AI5con un tipico profilo di concentrazione di diffusione.
Con la temperatura ridotta di 650 ° C del processo pacco ricevuto il rivestimento è fortemente dipendente dalla formulazione del pack:
- Con Al puro come donatore i rivestimenti ricevuti a 650° C non sono omogenei, mostrano spessori diversi all'interno dello stesso campione con una composizione di Fe2AI5
- Con una lega Al il processo a 650°C dipende l'attivatore (alogenuro) utilizzato. NH4CI non è efficace, mentre AIF3 risultati in un omogeneo, anche distribuiti formazione di uno strato di diffusione FeAI. Riassumendo, l'invenzione rivendicata presenta un processo di rivestimento di un substrato metallico di diffusione:
- Con alluminio con una lega di alluminio come sorgente di alluminio - "donatore"
- Ad una temperatura inferiore ai 700 ° C
- In presenza di un "attivatore", in cui l'attivatore è processo:
o un fluoruro di alluminio non significativamente solubile in o reattivo con acqua o aluminiumfluoride anidro aventi una dimensione delle particelle non maggiore di circa 20 mil. Il pack contiene almeno circa il 5% e fino al 30% in peso donatore e contiene almeno circa 0,20% e meno del 5% in peso attivatore.
Il substrato di metallo può essere un acciaio ferritico o austenitico e l'atmosfera rivestimento diffusione è sostanzialmente priva di idrogeno, cioè un gas inerte come argon.
Per quanto riguarda la sorgente di alluminio della miscela confezione è una lega di alluminio di leghe carbone, leghe, leghe CRAL FEAL NiAI, o simili avente una dimensione particellare non maggiore di circa 20 mils.
La composizione del rivestimento di alluminio formata diffusione è FeAI, un dell'alluminuro ferro con un rapporto atomico di 1:1.
Claims (18)
- RIVENDICAZIONE 1. Processo di rivestimento a bassa temperatura di acciai ferritici e austenitici utilizzante una lega di alluminio come sorgente di alluminio, ad una temperatura inferiore ai 700 ° C in presenza di un "attivatore", in cui il processo di attivatore è un fluoruro o un alogeno di alluminio non significativamente solubile in o reattiva con acqua.
- 2. Il processo della rivendicazione 1 in cui il substrato metallico è un acciaio ferritico o austenitico e l'atmosfera rivestimento diffusione è essenzialmente privo di idrogeno.
- 3. Il processo della rivendicazione 2 in cui è immerso l'atmosfera rivestimento diffusione in un gas inerte.
- 4. Il processo della rivendicazione 3, in cui il gas inerte è argon.
- 5. Il processo della rivendicazione 1 in cui la sorgente di alluminio della miscela confezione è una lega di alluminio di leghe carbone, leghe, leghe CRAL FEAL NiAI, o simili avente una dimensione particellare non maggiore di circa 20 mils.
- 6. Il processo della rivendicazione 1 comprendente almeno circa il 5% e fino al 30% in peso donatore
- 7. Il processo della rivendicazione 1, in cui l'attivatore è alumino-fluoride anidro.
- 8. Il processo della rivendicazione 1 in cui contiene almeno circa 0,20% e meno del 5% in peso attivatore.
- 9. Il processo della rivendicazione 1 in cui l'attivatore è alumino fluoride anidro aventi una dimensione delle particelle non maggiore di circa 20 mil.
- 10. Il processo della rivendicazione 1 effettuato ponendo il substrato di metallo contro un pack di diffusione di polvere di rivestimento integro.
- 11. Una miscela di alluminatura pacco diffusione contenente polvere a bassa temperatura alluminatura alluminio-lega metallica e una bassa temperatura alluminatura attivatore, e l'attivatore è un alumino fluoride non significativamente solubile in o reattivo con acqua.
- 12. Il processo di alluminatura simultaneamente una pluralità di distinti diffusione-aluminizable parti in acciaio, il quale procedimento produce un prodotto sostanzialmente privo diffusione etch-alluminati e si caratterizza per condurre la diffusione alluminatura ad una temperatura non superiore a circa 700 ° C, usando come la diffusione alumino fluoride anidro che non è solubile in modo significativo o reattivo con l'acqua.
- 13. Il processo della rivendicazione 11 in cui la diffusione alluminatura avviene in un pack di alluminatura mantenuto ad una temperatura inferiore a 700°C e lo stimolatore è in forma di particelle non maggiore di circa 20 mil mescolati nella confezione.
- 14. Il processo della rivendicazione 12 in cui l'acciaio è un ferritico o un acciaio austenitico e la diffusione alluminatura è condotta sotto una umidità superiore al 60% circa.
- 15. Il processo di diffusione alluminatura ferritico o un acciaio austenitico, in cui un processo di cui è condotta l'alluminatura diffusione in assenza essenziale di idrogeno e di materiali che possono generare idrogeno durante il rivestimento di diffusione.
- 16. Il processo di alluminatura un ferritico o un acciaio austenitico, il quale procedimento si caratterizza per la diffusione alluminatura ferritico o un acciaio austenitico ad una temperatura non superiore a 650°C in un ambiente che è essenzialmente privo di idrogeno.
- 17. Il processo di tempo pacco a 650 ° C-700 ° C è preferibilmente nell'intervallo di 6 ore a 30 ore, a seconda del desiderato spessore dello strato di diffusione di alluminio
- 18. La composizione del rivestimento di alluminio formata diffusione è FeAI, un dell'alluminuro ferro con un rapporto atomico di 1:1.
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