NL8000419A - Werkwijze voor het verbinden van een tweelagige bekledingsfoelie aan een substraat van een superlegering. - Google Patents

Description

‘Λ #

Werkwijze voor het verbinden van een tweelagige bekledingsfoelie aan een substraat van een superlegering

Een belangrijk probleem bij de geavanceerde gasturbines zoals worden toegepast in de industrie, in de luchtvaart en in de scheepvaart is de oppervlaktestabiliteit van onderdelen uit super-legeringen. Door verbranding van zware stookoliën worden zeer 5 corrosieve milieus geschapen en als dit gepaard gaat met hoge stooktemperatuur en lange tussenpozen tussen onderhoudsbeurten, betekent dit dat er zeer strikte grenzen gelden voor de materiaalkeuze. Het is steeds moeilijker geworden om zowel een goede kruip-breeksterkte en een goede bestandheid tegen corrosie te bereiken 10 door modificatie van het basismetaal door legeren. Er zijn dan ook verschillende bekledingsschema1s en schema's voor het bekleden met foelies ontwikkeld ter -verkrijging van oppervlaktebescherming van substraten uit superlegeringen. Het vasthechten, bevestigen of verbinden van een tegen oxydatie en corrosie bij hoge tempera-15 tuurbestendige bekledingsfoelie aan een turbineschoep of mondstuk vormt een oplossing van het probleem van de oppervlaktestabiliteit.

De laatste tijd is er een aanzienlijke vooruitgang geboekt in de ontwikkeling van methoden voor het door diffusie verbinden 20 en vasthechten van een bekledingsfoelie aan een convex-concaaf substraat; bijvoorbeeld een vormstuk deel uitmaken van luchtvaartuigen dat dient voor het teweeg brengen van een opwaartse kracht, bijvoorbeeld een vleugel, of turbineschoep. Zo wordt bijvoorbeeld in het Amerikaanse octrooischrift 3.928.901 een werkwijze 25 beschreven waarbij een bekledingsfoelie koud isostatisch wordt aangedrukt onder vorming van een nauw aansluitende huid over het substraat. In het Amerikaanse octrooischrift 3.904.101 wordt een werkwijze beschreven voor het met een foelie bekleden waarbij de ruimte tussen de bekledingsfoelie of het bekledingsvel en het sub- 80 0 0 4 18 « *· 2 / straat wordt geevacueerd, alle naden onder vacuum worden gesoldeerd of hard gesoldeerd en daarna het geheel in een autoclaaf onder toepassing van een gasvormig medium en een verhoogde temperatuur en druk door diffusie aanéén wordt gebonden. In het Ameri-5 kaanse octrooischrift 3.962.939 wordt een werkwijze beschreven waar bij een vooraf samengevoegd geheel van een bekledingsfoelie en een substraat langs alle randen wordt afgeschermd, wordt omgeven met glasschilfers en vervolgens de bekleding bij hoge temperatuur door diffusie aan het substraat wordt verbonden onder smelten van 10 het glas en zorgen dat een toestand van isostatische spanning op treedt. Deze tot nu toe toegepaste werkwijze voor het aanbrengen van bekledingsfoelies op convex-concave substraten gelden slechts voor een enkele laag van bekledingsfoelie.

Een alternatieve werkwijze voor het beschermen van voor-15 werpen uit superlegeringen tegen oxydatie en corrosie bij hoge temperatuur bestaat uit de toepassing van bekledingstechnieken.

Er zijn allerlei bekledingen voor superlegeringen in de literatuur beschreven en van bijzonder belang zijn bekledingssamenstellingen bestaande in hoofdzaak uit chroom, aluminium, één of meer van de 20 elementen ittrium en de zeldzame aarden en één of meer van de me talen ijzer, cobalt en nikkel. Deze bekledingen staan in de techniek bekend als MCrAlY-bekledingen.

Verdere verbeteringen aan bekledingen zijn bereikt door toepassing van meerdere bekledingslagen. Zo wordt in het Amerikaanse 25 octrooischrift 3.873.347 een werkwijze beschreven waarbij een voor werp uit een superlegering wordt bekleed met een MCrAlY-bekleding door fysisch afzetten van damp en vervolgens een gealuminiseerde bovenlaag wordt gevormd door kistcementeren. In het Amerikaanse octrooischrift 3.874.901 wordt een soortgelijke werkwijze beschreven 30 waarbij alleen de aluminium-deklaag wordt gevormd door fysisch afzetten van damp. Het Amerikaanse octrooischrift 3.649.225 beschrijft het gebruik van een samengestelde bekleding waarbij een tussenlaag van chroom of een tussenlaag die rijk is aan chroom grenst aan het substraat van superlegering en waarbij over de tussenlaag 35 een buitenlaag wordt aangebracht van MCrAlY. Het Amerikaanse octrooi- 8000419

«I

3 \ # schrift 4.005.989 openbaart een werkwijze waarbij een substraat van superlegering wordt bekleed met een tussenlaag van aluminide en vervolgens wordt bedekt met een deklaag van MCrA1Y.

De uitvinding heeft nu ten doel te voorzien in een nieuwe 5 werkwijze voor het door diffusie verbinden van dubbele lagen van een bekledingsfoelie aan complex gevormde voorwerpen of onderdelen uit een superlegering door middel van een enkele behandeling ter verkrijging van de verbinding, waarbij de toepassing van een aantal handelingen voor het vormen van een verbinding zoals bij de bekle-10 dingswerkwijze volgens de stand van de techniek worden toegepast, worden geëlimineerd.

Volgens de uitvinding wordt voorzien in een werkwijze voor het door diffusie vasthechten of verbinden van twee lagen van een bekledingsfoelie aan een substraat. De werkwijze wordt uitgevoerd 15 door een binnenste bekledingsfoelie van aluminium aan te brengen op het substraat, een buitenste tegen corrosie bestendige bekledingsfoelie van MCrAlY aan te brengen over de binnenste bekledingsfoelie zodat de buitenste bekledingsfoelie de binnenste foeliebekre-ding omsluit en afsluit en het samenstel van substraat met bekladings-20 foelies in een deformeerbare houder te plaatsen. Daarna wordt de houder gevuld met een drukoverdragend medium van glas zodat het samenstel van substraat met bekledingslagen er geheel in is opgenomen. De houder wordt gesloten en de bekledingen worden door diffusie vastgehecht of verbonden aan het substraat bij verhoogde druk 25 en temperatuur door toepassing van een geregelde (geprogrammeerde) tijd-temperatuur isostatische drukcyclus. Een wezenlijk kenmerk van de uitvinding is dat tijdens het door diffusie vasthechten of verbinden de binnenste bekledingsfoelie van aluminium neiging heeft bij de hoge temperaturen en drukken die worden toegepast vloeibaar te 30 worden en op zijn plaats wordt gehouden door de onder druk gebrachte bij hogere temperatuur smeltende buitenste tegen corrosie bestendige bekledingsfoelie van MCrAlY waardoor de bekledingsfoelie van aluminium wordt omsloten. De druktoestand wordt gehandhaafd tot het aluminium volledig heeft gereageerd en vast is geworden.

35 De uitvinding wordt nader toegelicht aan de hand van de 800 04 19 4 J* figuren, waarvan: figuur 1 een grafiek weergeeft van typische druk-tem-peratuur-tijdkrommen die gelden voor het door diffusie vasthechten of verbinden.

5 Figuur 2 een beeld geeft van de verbeterde bestandheid tegen corrosie die wordt verkregen met de nieuwe werkwijze voor het bekleden met een tweevoudige bekledingsfoelie in vergelijking met een geval waarbij slechts een enkele MCrAlY-bekledingsfoelie werd toegepast.

10 Bij de werkwijze volgens de uitvinding wordt gebruik ge maakt van een isostatische druk bij hoge temperatuur in combinatie met gesmolten glas als drukoverbrengend medium om de gewenste component te vervaardigen. Eerst wordt het oppervlak van het substraat uit superlegering voorbereid, bijvoorbeeld door het te stralen met 15 glasbolletjes of dergelijke, chemisch te etsen en/of eventueel met nikkel te bekleden, gevolgd door een geschikte diffusiewarmte-behandeling onder vacuum. Daarna wordt de binnenste bekledingsfoelie van aluminium over het substraat aangebracht. Deze bekledingsfoelie heeft in het algemeen een dikte van circa 0,012 tot 0,075 mm.

20 Daarna wordt de buitenste bekledingsfoelie van MCrAlY op een vormdoorn of moedervorm in de vorm van het substraat gebracht, bijvoorbeeld op de wijze beschreven in het Amerikaanse octrooi-schrift 3.928.901. Kort gezegd komt deze werkwijze hierop neer dat men de bekledingsfoelie ruwweg brengt in de vorm van de moeder-25 vorm zodat de bekledingsfoelie dicht komt tegen het convexe opper vlak van de moedervorm terwijl de bekledingsfoelie ter plaatse van de concave oppervlaktedelen van de moedervorm zich op een zekere afstand van het concave oppervlak bevindt; plaatsen van de bekledingsfoelie met de moedervorm in een gesloten rubberen vorm; en 30 uitoefenen van een isostatische druk op de vorm zodat de bekle dingsfoelie wordt gedeformeerd en wordt aangepast aan het concave oppervlak van de moedervorm.

De chemische samenstelling van de buitenste bekledingsfoelie wordt in deze aanvrage aangeduid als "MCrAlY" waarbij 35 M aangeeft één of meer van de elementen ijzer, cobalt en nikkel.

80 0 0 4 19 5

Deze bekledingsfoelie heeft algemeen gesproken praktisch de volgende nominale samenstelling in gewichtsprocent:

Bestanddelen_._gew.% chroom 15-50 5 aluminium 0-6 yttrium 0-3 tantaal 0-5 ijzer ) cobalt | rest 10 nikkel )

Onder deze formulering vallen samenstellingen die kunnen worden aangeduid als FeCrAlY, CoCrAlY, NiCrAlY, FeCrY, NiCr, en CoCrAlYTa. De dikte van de buitenste bekledingsfoelie kan variëren van ca 0,125 tot 0,75 mm; de dikte waaraan de voorkeur 15 wordt gegeven is ca 0,25 mm.

De in gewenste vorm gebrachte buitenste bekledingsfoelie en het reeds met een binnenste bekledingsfoelie van aluminium beklede substraat worden samengevoegd zodat de binnenste bekledingsfoelie van aluminium er geheel door wordt omsloten en ingesloten.

20 Het samengevoegde samenstel wordt gereed gemaakt door alle naden tussen de buitenste bekledingsfoelie en het substraat af te schermen zodat binnendringen van het drukoverdragende medium tussen het grensvlak tussen de buitenste bekledingsfoelie en het substraat wordt vermeden. Dit afschermen kan plaatsvinden door de 25 naden af te plakken met plakband of door de buitenste bekledings foelie door middel van assembleerlas langs alle naden aan het substraat te bevestigen. Hoe het ook geschiedt, het enige dat nodig is, is één of andere bewerking die dient om te verhinderen dat het drukoverdragende medium zowel in vaste vorm als in gesmolten vorm 30 binnendringt in het samenstel van buitenste bekledingsfoelie en substraat en om te verhinderen dat de vloeibaar geworden of gemaakte binnenste bekledingsfoelie van aluminium ontsnapt. Het samenstel met afgeschermde randen wordt vervolgens in een deformeerbare metalen houder (zacht staal) geplaatst die zal worden ingedrukt 35 bij de drukken die optreden bij het door diffusie verbinden of vast- 800 0 4 19 ϋ t 6 hechten. Het volume van de deformeerbare houder is zodanig dat het samenstel van substraat met bekledingsfoelies geheel kan worden geplaatst in een korrelvormig, verdichtend drukoverdragend medium, met steeds een voldoende ruimte om de randen van het samen-5 stel zodat tijdens het door diffusie vasthechten of verbinden onder toepassing van een isostatische druk bij hoge temperatuur geen van de randen van het samenstel door de houder heen zal gaan steken als de houder samen wordt gedrukt. Aan glasbolletjes of glasschilfers bijvoorbeeld uit gewoon natrium-kalkglas, wordt 10 de voorkeur gegeven als druk of dragend medium, omdat het glas zal verdichten en zal smelten bij de temperaturen voor het door diffusie verbinden of vasthechten en daarbij een optimaal hydrostatisch of dragend medium zal vormen. Bovendien is glas betrekkelijk inert, kan het gemakkelijk worden ontgast en kan het gemakkelijk worden 15 verwijderd van het oppervlak van het samenstel na het door diffusie vasthechten of verbinden van de bekledingslagen.

Nadat de deformeerbare houder is gevuld met zowel het samenstel van substraat met bekledingsfoelies met afgeschermde randen en met het drukoverdragende medium, is de volgende stap het slui-20 ten van de houder, waarna deze wordt ontgast. Dit wordt bewerk stelligd door het geheel te evacueren en vervolgens door een smeed-las af te sluiten van het vacuümsysteem.

De gesloten houder wordt in een heet-gasautoclaaf (isostatische druk bij hoge temperatuur) geplaatst voor het door diffu-25 sie verbinden of vasthechten bij een geschikte temperatuur en druk.

In figuur 1 wordt bijvoorbeeld een tijd-temperatuur-drukkromme weergegeven voor een typische behandelingscyclus waarin een goede hechting of verbinding tot stand komt. Tijdens het door diffusie vasthechten of verbinden wordt de temperatuur, zoals in die kromme 30 is weergegeven, eerst beneden ongeveer het smeltpunt van aluminium (smeltpunt 660°C) gehouden, terwijl de uitgeoefende druk wordt verhoogd tot ca 35 MPa. Deze verhoogde druk brengt een innig contact teweeg tussen de binnenste bekledingsfoelie van aluminium met het substraat en de buitenste beschermende bekledingsfoelie. Terwijl 35 de temperatuur wordt verhoogd tot maximaal ca 1200°C, worden de 8000419 r> glasbolletjes viskeus en de als gevolg daarvan optredende volume-verandering maakt dat de deformeerbare houder tendele wordt ingedrukt rondom het geheel van substraat met bekledingen, waardoor wordt verzekerd dat er rondom het geheel van substraat met bekle-5 dingen een isostatische spanningstoestand heerst. Gedurende deze tijd wordt de binnenste bekledingsfoelie van aluminium vloeibaar en reageert dan in vloeibare toestand met het substraat en met de foelie van bekledingslegering onder vorming van het overeenkomstige aluminide, waarbij het vast wordt. Het is in het bijzonder 10 van belang dat het vloeibare aluminium wordt begrensd en op zijn plaats gehouden door de onder druk staande buitenste bekleding-foelie tot het aluminium volledig heeft gereageerd. In het algemeen zullen de temperaturen en drukken die worden toegepast tijdens het door diffusie vasthechten of verbinden in zekere mate va-15 rieren en afhankelijk zijn van de materialen die worden verbonden of aanéén gehecht.

Na het door diffusie verbinden of vasthechten wordt het geheel van substraat met bekledingen uit de deformeerbare houder gehaald en wordt glas dat aan de oppervlakken van het samenstel 20 is blijven hechten verwijderd bijvoorbeeld door zandstralen of door het samenstel vervolgens onder vacuum te verhitten en met water af te schrikken. Daarna kan het samenstël van substraat met daaraan vastgehechte of verbonden bekledingsfoelies, indien nodig worden onderworpen aan een laatste warmtebehandeling.

25 De uitvinding wordt verder toegelicht door de volgende voorbeelden: afzonderlijke schijfvormige monsters van een superlegering op nikkelbasis (IN 738) werden eerst'bekleed met een aluminium-foelie met een dikte van 0,018 of 0,075 mm en deze schijf met be-30 kledingsfoelie werden daarna als een sandwich aangebracht tussen 0,25 mm dikke plaatjes van de volgende voor de buitenste bekleding dienende legeringen: Fe-25-Cr-l-Y (in gew.%); Fe-25 Cr-0,1Y;

Ni-50 Cr; en Co-25Cr-5 Al-lY-3Ta. De gelaagde monsters, waarvan de lagen werden samengehouden door de buitenste foelies van bekle-35 dingslegering aan het substraat vast te puntlassen om zo de alu- 80 0 0 419 t 8 miniumfoelie geheel te omsluiten, werden in een zacht stalen houder geplaatst die was gevuld met korrels van natrium-kalk-glas. De houder werd ontgast door hem via een ontgassingsbuis bij 315°C gedurende 16 h onder een vacuum van 0,67 - 1,3 pa te 5 brengen en de buis te sluiten door smeedlassen. Deze houder werd in een autoclaaf geplaatst die was voorverwarmd op 500°C waarna de autoclaaf met argon onder een druk werd gebracht van 35 MPa.

Na een verblijftijd van ca 15 min werd de temperatuur van de autoclaaf verhoogd tot 1093°C, waarna de temperatuur en druk geduren-10 de 1 h werden gehandhaafd, overeenkomstig het in figuur 1 weer gegeven diagram. Men liet daarna de temperatuur dalen én de druk werd afgelaten, waarna het samenstel uit de autoclaaf werd gehaald en de monsters uit de zacht stalen houder werden verwijderd en metallografisch werden onderzocht. In alle gevallen gaf deze be-15 handelingscyclus een nikkelaluminidelaag tussen de buitenste bekle- dingsfoelie en het substraat en deze lagen waren metallurgisch met elkaar verbonden.

Deze proef werd herhaald waarbij schijven van een substraat van een superlegering op nikkelbasis met glasbolletjes werden ge-20 straald, met een daarvoor geschikte damp werden ontvet voordat de schijven met de bekledingsfoelies werden bekleed en waarbij het verbindingsoppervlak van de buitenste bekledingsfoelie uit de legering Fe-25Cr-4Al-Y werd gepolijst met schuurpapier no. 400 en met een geschikte damp werden ontvet. Er werd een binnenste 25 laag van een 0,018 mm dikke aluminiumfoelie op het substraat vast- gepuntlast en de buitenste bekledingsfoelie werd vastgepuntlast zodat de sandwich-constructie erdoor werd omsloten. De monsters werden in een zacht stalen houder geplaatst die op lekken werd onder- o zocht met een heliummassa-spectrometer, werd ontgast bij 315 C 30 gedurende 16 h onder een vacuum van 0,67 - 1,33 Pa en werd afge sloten door smeedlassen- Er werd een zelfde HIP-tijd-temperatuur-drukcyclus toegepast in de autoclaaf en ook nu leerde metallografisch onderzoek dat er een ennige verbinding tot stand was gekomen tussen de lagen en dat er een binnenste laag was van een nikkel-35 aluminide.

800 0 4 19 9

De monsters werden beproefd op de bestandheid tegen corrosie kleine verbrandingsinrichting waar ze in contact kwamen met de verbrandingsprodukten van dieselolie die 1 % S bevatte-en waaraan een geringe hoeveelheid kunstmatig zeewater was toegevoegd 5 zodanig dat in het verbrandingsgas 8 dpm Na aanwezig waren, welke verbrandingsprodukten en temperatuur hadden van 982°C. Vergelij-kingsmonsters die een door diffusie vastgehechte bekleding van Fe-25Cr-4All-Y bezaten maar zonder de binnenste nikkelaluminium-laag werden ook aan deze corroderende atmosfeer blootgesteld.

10 Monsters werden periodiek, als functie van de tijd van blootstel len aan de corroderende gasatmosfeer uit de oven verwijderd waarna de doorsnede van de monsters metallografisch werden onderzocht.

Metingen verkregen bij een vergroting van 100 x, van de maximale diepte van de corrosie in de buitenste bekledingsfoelie van Fe-25-Cr4-Al-l 15 zijn in figuur 2 uitgezet als functie van de tijdsduur van het blootstellen en aan de gasatmosfeer. De resultaten laten zien dat de aanwezigheid van een binnenste nikkelaluminidelaag in het geval van de monsters die waren vervaardigd onder toepassing van een alu-miniumfoelie volgens de nieuwe werkwijze volgens de uitvinding waarbij van twee aluminiumfoelies gebruik werd gemaakt, een minder 20 diepe corrosie geeft na een bepaalde tijdsduur van blootstellen aan een corroderende omgeving. Bovendien vindt de toename van de corrosiediepte met verloop van tijd plaats met een geringere snelheid dan bij de vergelijkingsmonsters die met een foelielaag waren bekleed zonder binnenlaag van nikkelaluminide. De resultaten laten 25 zien dat er een toename is in de levensduur van de bekleding van ongeveer 3000 h tot 5500 h voor een bekleding met een dikte van 0,25 mm.

Hoewel de uitvinding hiervoor aan de hand van enkele specifieke voorbeelden werd toegelicht, zal het duidelijk zijn 30 dat allerlei modificaties en variaties mogelijk zijn binnen het kader van de uitvinding, zonder buiten het raam van de uitvinding te komen.

35 8000419

Claims (11)

1. Werkwijze voor het aanbrengen en verbinden van een twee-lagige bekledingsfoelie op een dragend substraat, met het kenmerk, dat men (a) om het substraat een binnenste foelie van aluminium 5 aanbrengt, zodat de bekledingsfoelie dicht aansluit bij het sub straat, (b) een buitenste MCrAlY-foelie om het substraat aanbrengt waarom de binnenste bekledingsfoelie van aluminium reeds is aangebracht, zodanig dat de buitenste tegen corrosie bestancj&ijnde bekledingsfoelie de binnenste bekledingsfoelie geheel omhult en 10 afsluit, (c) het geheel van substraat met de bekledingsfoelies erom heen in een deformeerbare houder plaatst, (d) de houder vult met een drukoverdragend medium van glas, zodat het geheel van substraat met bekledingsfoelies eromheen geheel in het glas steekt, (e) de houder sluit zodat deze luchtdicht is, (f) de bekledingsfoelies 15 door diffusie aan het substraat verbindt door middel van een iso- statische drukcyclus bij hoge temperatuur, waarbij de temperatuur eerst beneden het smeltpunt van het aluminium wordt gehouden, de druk wordt verhoogd zodanig dat een innig contact tot stand komt tussen de binnenste bekledingsfoelie en het substraat en de buiten-20 ste bekledingsfoelie en daarna de temperatuur wordt verhoogd tot ca 1200°C maximaal, terwijl de druktoestand wordt gehandgaafd, tot het aluminium volledig heeft gereageerd en vast is geworden.

2. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat het substraat uit een superlegering bestaat.

3. Werkwijze volgens conclusie 2, met het kenmerk, dat de superlegering een superlegering op nikkelbasis is.

4. Werkwijze volgens conclusie 1-3, met het kenmerk, dat het substraat een concaaf-convexe configuratie heeft.

5. Werkwijze volgens conclusie 4, met het kenmerk, dat 30 het substraat een turbineschoep is.

6. Werkwijze volgens één der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de binnenste bekledingsfoelie een dikte heeft van 0,012 - 0,075 mm en de buitenste bekledingsfoelie een dikte heeft van 0,125 - 0,75 mm.

7. Werkwijze volgens conclusie 6, met het kenmerk, dat 800 0 4 19 % de buitenste bekledingsfoelie voor 15-50 gew.% uit chroom, voor 0-6 gew.% uit aluminium, voor 0-3 gew.% uit yttrium en voor 0-5 gew.% uit tantaal bestaat en voor de rest bestaat uit ijzer, cobalt en/of nikkel.

8. Werkwijze volgens conclusie 7, met het kenmerk, dat de samenstelling van de foelie is Fe-25Cr-4Al-lY.

9. Werkwijze volgens conclusie 7, met het kenmerk, dat de samenstelling van de foelie is Mi-50Cr.

10. Werkwijze volgens één der voorgaande conclusies, 10 met het kenmerk, dat de isostatische druk-cyclus bij hoge tempera tuur verloopt volgens de temperatuur-, druk- en tijdgegevens uit figuur 1.

11. Werkwijzen, in hoofdzaak als beschreven in de beschrijving en/of de voorbeelden. 8000419