NL8103614A - Bekledingsproces. - Google Patents

Description

P & C i

. * N 2348-1128 Ned.M/LvD

Bekledingsproces.

De oppervlaktestabiliteit van superlegeringen is gen belangrijk probleem voor moderne industriële gasturbines. Sterk corrosieve omge-5 vingen worden verkregen door de verbranding van zware stookoliën en indien gekoppeld met de hogere verbrandingstemperaturen en langere onderhoudsinter-vallen, ontstaan zeer strenge beperkingen in de keuze van de materialen. Een oplossing voor het oppervlakte stabiliteitsprobleem brengt met zich mede het opbrengen van een tegen oxidatie en sterke corrosie bestendige 10 legering in de vorm van een vel-vormige bekleding op een onderlaag van hoge sterkte. Aanzienlijke vooruitgang is geboekt bij de ontwikkeling van methoden voor diffusiebinding van een bekleding aan dergelijke onderlagen. Zo wijzen Shilling et al in het Amerikaanse octrooischrift 3,928.901 op een werkwijze, waarbij het bekledingsvel koud isostatisch geperst wordt 15 onder vorming van een nauw sluitende huid over de onderlaag. Betran et al beschrijven een proces, waarbij de bekleding wordt opgebracht, de ruimte tussen de bekleding en de onderlaag wordt geëvacueerd, alle naden in vacuum hard gesoldeerd worden, en daarna het samenstel diffusie gebonden wordt in een autoclaaf onder gebruikmaking van een gas-achtig medium 20 en de temperatuur en de druk verhoogd worden, en wel in het Amerikaanse octrooischrift 3,904.101. In het Amerikaanse octrooischrift 3,962.939 wijze Shilling et al op een werkwijze waarbij een vooraf samengestelde v combinatie van een bekledingsvel en onderlaag wordt gemaskeerd bij alle naden, omgeven met glassplinters en vervolgens onderworpen aan een hete 25 diffusiebinding, teneinde het glas te smelten en een isostatische .spanningstoestand te verzekeren.

De hedentendage. toegepaste bekledingsprocessen gaan gepaard met een relatief groot aantal stappen,· waarvan sommige zeer arbeidsintensief zijn en daardoor kostbaar. De technieken zijn eveneens moeilijk 30 toe te passen op de meer ingewikkeldè configuraties, zoals veelbladige mondstuksegmenten. Bij bepaalde bekledingsprocessen blijven eutectische fasen na het bekleden achter met een laag smeltpunt, welke karakteristiek bros zijn bij lagere temperaturen. Insluitingen van oxiden en andere materialen op de bindingslijn tussen de bekleding en de onderlaag kunnen 35 eveneens aanwezig zijn.

De uitvinding stelt zich ten doel het verschaffen van een nieuwe werkwijze voor het door diffusiebinding hechten van een velvormige bekleding aan ingewikkèlde onderdelen configuraties, waardoor verscheidene van de belangrijkste stappen toegepast in de bekende stand der techniek geëlimi-40 neerd worden, terwijl tegelijkertijd het vermogen geboden wordt op ver- 8103614 t ‘ - 2 - schillende onderlaag-configuraties gemakkelijk en doeltreffend te bekleden en de aldus geproduceerde artikelen te verschaffen.

De onderhavige uitvinding heeft betrekking op een werkwijze voor het via diffusiebinding hechten van vel-vërmige bekledingen aan 5 onderlagen en op de aldus geproduceerde beklede onderlagen. Meer in het bijzonder brengt de werkwijze met zich mee het bedekken van tenminste een van de naar elkaar gekeerde oppervlakken van de bekleding en de onderlaag met borium/ het samenstelling van de bekleding op het voorwerp/ en het onderwerpen van het resulterende samenstel aan een tijd- en temperatuurcy-10 clus voldoende om te maken dat een vloeibare zóne zich vormt tussen de naar elkaar gekeerde oppervlakken van de bekleding en de onderlaag, en aan een in tijd, temperatuur en druk veranderlijke heet isostatische druk iHID)-cyclus voldoende om een volledige binding te bewerkstelligen tussen de bekleding en de onderlaag.

15 De werkwijze volgens de onderhavige uitvinding is toepasbaar op de vervaardiging van gasturbineschoepen, veelbladige mondstuksegmenten waar de configuraties moeilijk te vervaardigen zijn, bepaalde trappen van ultra hoge temperatuur turbine hete gasbaan onderdelen en dergelijke. Dergelijke onderdelen bevatten een beklede onderlaag van geschikte vorm.

2o De onderlaag is een metalen gietstuk en ofschoon de onderhavige uitvinding toepasbaar is pp alleesoorten metalen gietstukken is zij in het bijzonder bruikbaar bij gietstukken vervaardigd, niet de sterkere legeringen gebaseerd op nikkel, kobalt of ijzer, die in de industrie bekend staan als super-legeringen. De bereiding van het gietstuk zelf is conveütioneel en vormt 25 geen deel van de onderhavige uitvinding. Elk gietstuk of bekleding, waarvan het oppervlak een borium deklaag zal accepteren en die eveneens in staat is een lastechniek te accepteren, zoals lassen door capacitieve ontlading-, kan worden gebruikt.

De de voorkeur verdienende bekledingsmaterialen zijn nikkel-chroom-30 legeringen, zoals die, welke in de handel geleverd kunnen worden door

International Nickel Company, onder de aanduidingen IN-671 en IN-617. Deze nikkel-chroomlegeringen bevatten in wezen 50-80 gew.% nikkel en 20-50 gew.% chroom met een voorkeur voor de samenstelling van 50% nikkel en 50% chroom.

De meer complexe legeringen bevatten een aantal elementen en worden ge-35 typeerd door IN-617, dat 22 gew.% chroom, 1 gew.% aluminium, 2,4 gew.%ko- balt, 9 gew.% molybdeen, 0,003 gew.% borium.., 0,07 gew.% koolstof bevat.,..waarbij de rest gevormd wrodt door nikkel. Andere bekledingsmaterialen, welke kunnen worden gebruikt, omvatten Hastelloy-X, FeCralY (2541), HS 188, 304 roestvrij staal e.d. De materialen voor bekleding of onderlaag moeten kun-40 nen worden bekleed met borium en eveneens in staat zijn een lastechniek 8103614 t * - 3 - te aanvaarden, zoals een lasapparaat dat gebruik maakt van capacitieve ontlading. Bij wijze van voorbeeld kan de bij het bekleden toegepaste dikte reiken vanaf ongeveer .127 mm tot 1.27 mm en bij voorkeur tussen 0,254 mm en 0,762 mm; andere dikten echter kunnen eveneens worden gébruikt 5 zonder buiten de beschermingsomvang van de onderhavige uitvinding te geraken.

Bij de werkwijze volgens de onderhavige uitvinding wordt bij voorkeur êén van de naar elkaar gékeerde oppervlakken van de bekleding en de onderlaag, doch eventueel beide, bedekt met borium door een willekeurig 10 geschikt conventioneel proces. Het aanbrengen van het borium kan worden uitgevoerd voor of nadat .de vel-vormige bekleding gevormd is in het geval dat het voor hechting in aanmerking komende oppervlak van de bekleding bedekt is. Daarna worden de vel-vormige bekleding en de onderlaag samengesteld op conventionele wijze, d.w.z. de bekledingsvoorvorm van geschikte samen-15 stelling en vorm wordt gereed gemaakt door geschikte middelen zoals chemisch etsen, ontvetten, afschuren of bekleden met nikkel, waarna de voorvorm geplaatst wordt over de onderlaag en de naden gepuntlast worden of door weerstandsnaadlassen op zodanige wijze, dat een zo smal mogelijke spleet verkregen wordt tussen de naden. In het algemeen kan een spleet 20 van minder dan 25,4 ^c/ m worden verkregen. Het borium werkt als een smeltings kalmeringsmiddel voor het te bedekken oppervlak van het materiaal, zodat het van borium voorziene voorwerp een smelttemperatuur voor het geheel bezit gelegen boven die van het van borium voorziene oppervlak.

Wanneer het samenstel wordt onderworpen aan een geschikte combinatie van 25 hoge temperatuur en vergrote tijdsduur onder vacuum, smelt het oppervlak onder vorming van een vloeibare zone gevolgd door een snelle isothermische stolling van de vloeibare fase omdat het borium een uitzonderlijk snelle diffusiesnelheid heeft als gevolg van z'n smalle atomaire afmetingjCatoom-straal 0,80 Angstran eenheden) vergeleken met andere onderdrukkingsmiddelen 30 van het smelten, zoals silicium of fosfor. Het resultaat van de warmtebehandeling en diffusie is een gasdichte afdichting langs de naden van de bekleding. Door deze gasdichte afdichting ontstaat een drukverschil tussen de uitwendige en inwendige oppervlakken van de bekleding tijdens de hierna uit te voeren HID. Daarna wordt de door diffusiebinding beklede 35 onderlaag onderworpen aan HID, in het algemeen bij voorgeselecteerde temperaturen tot aan 1232° C en bij voorgeselecteerde drukken tot maxi- 2 maal ongeveer 21,09 kg per mm gedurende een toepassingstijd van ongeveer 0,5 tot 16 uur, zodanig dat er geen merkbare kwaliteitsachteruitgang optreedt in de mechanische eigenschappen van de onderlaag na behandeling, maar wel 40 voldoende om te maken dat de bekleding zich deformeert rondom de onderlaag 8103614 * * - 4 - en zich daar volledig aan bindt. Het is gebruikelijk om de HID-cyclus uit te voeren bij een temperatuur van ongeveer 982 - 1232° C.

De onderhavige uitvinding wordt gekenmerkt door een nauwkeurige beheersing van de vloeibare fase, het elimineren van laagsmeltende 5 eutectische fasen die typisch bros zijn bij lage temperaturen en door het uiteenvallen of ontbinden van oxiden en andere insluitingen bij de bindingslijn van de bekleding en de onderlaag.

De beheersing van de vloeibare fase wordt verkregen door beheersing van de hoeveelheid borium, waarmede de bekleding en/of de onderlaag 10 bedekt wordt. De beheersing van de hoeveelheid borium regelt de hoeveelheid vloeibare fase, die aanwezig is door de specifieke fasechemie, die betrokken is bij het opbrengen van een deklaag via diffusiebinding. Voldoende borium wordt gebruikt om voldoende vloeistof te creëren voor het vormen van een doeltreffende gasdichte afdichting tussen de bekleding 15 en de deklaag, maar niet meer dan nodig is wordt gebruikt omdat grotere hoeveelheden boruim nadelig zouden kunnen zijn voor de onderlaag en bekledingseigenschappen. In het algemeen wordt het borium gebrgikt in een hoeveelheid die voldoende is voor het verschaffen van een nominale vloeibare fase met een dikte van ongeveer 5,08/im tot 101,ö^m en bij 20 voorkeur een dikte tussen 15,24/im en 50,8y«m. De benodigde hoeveelheid borium hangt af van de chemische samenstelling van de speciale met borium te bedekken materialen. Zo dient de hoeveelheid borium, die geselecteerd wordt, voldoende te zijn om een vloeibare afdichting te vormen tussen de naden van de bekledingen, terwijl de tijd-temperatuur vereist om boriumrijke 25 fase weg te diffunderen, miniem moet zijn.

Het elimineren van laag smeltende eutectische fasen wordt bewerkstelligd door het gebruik van borium als het enige smeltpunt verlagende middel en door de tijd-temperatuur en druk-cycli, welke het borium doen diffunderen in de bekleding en de onderlaag. Zoals eerder uiteengezet maakt 30 het exclusieve gebruik van borium het mogelijk dat de isothermische stolling van de vloeibare. fase plaats vindt tijdens de diffusie warmtebehandeling en HID-cyclus omdat het borium een uiterst snelle diffusiesnelheid heeft als gevolg van z'n kleine atomaire afmeting in vergelijking met andere smelpuntverlagende middelen. In het algemeen gebruikt de diffusie 35 warmte behandeling temperaturen in het bereik van ongeveer 1038 - 1260° C, bij voorkeur ongeveer 1121° C tot 1177° C gedurende een tijdsperiode van ongeveer 0,05 tot 20 uur, bij voorkeur ongeveer 0,1 tot 4 uur.

Het uiteenvallen van oxiden en andere insluitingen aan het grensvlak van de bekleding en de onderlaag wordt verkregen door de aanwe-40 zigheid van de boriumhoudende vloeibare fase over de gehele zóne, waarover 8103614 ~ £ -5-- de bekleding en de onderlaag aan elkaar grenzen. Bij andere bekledings-processen is een vloeibare fase niet aanwezig over deze gehele zöne.

Gemeend wordt dat de aanwezigheid van de vloeibare fase aan het grensvlak de insluitingen uiteen doet vallen, die aanwezig kunnen zijn op het 5 oppervlak van hetzij de bekleding, danwel de onderlaag door smelting van het metaal, dat onmiddellijk de insluitingen omgeeft. Daarenboven verhindert de vloeibare film oppërvlakoxidatie als gevolg van de bedekking van de vloeibare film van de onderlaag in de elementen van lage oxidestabiliteit.

Teneinde de onderhavige uitvinding verder te illustreren worden 10 hieronder voorbeelden van de werkwijze en produkten volgens de uitvinding beschreven. Het zal duidelijk zijn, dat door de gehele beschrijving en conclusies heen alle delen en percentages gegeven worden in gewicht, tenzij anders aangegeven.

VOOBBEELD 1 15 Een vel van IN-671 bekledingsmateriaal (50% nikkel, 50% chroom) met een dikte van 254 yum * 25,4^tm wordt af gesneden tot de ruwe maat vereist voor het koud formeren tot een commercieeel beschikbare eerste trap turbineschoep draagprofielvorm. De IN-671 voorvorm wordt dan koud gevormd in een reeks progressieve matrijzen totdat hij zich bevindt binnen 20 een nauwe conformering aan de omhulling (in het typerend geval 0,254 tot 0,508mm )van de gewenste draagprofielvorm. De gevormde bekleding wordt dan aan elkaar gelast, ter vorming van een draagprofielvorm, die wil slippen over de commerciële schoepen.

2

De gelaste IN-671 bekleding wordt bedekt met 7,75 gram/m tot 2 25 9,30 gram per m van gediffundeerd borium aan enkel het inwendige opper vlak. Na ultrasoon reinigen en ontvetten van bedekte bekleding en schoep in freon wordt de bekleding samengesteld op de eerste trap schoep en door capacitieve ontlading gelast aan de schoep met dicht bij elkaar gelegen lassen.

30 De schoep en de bekleding wordt geplaatst in een vacuum oven, —4 o + o die ge“evacueerd wordt tot ongeveer 10 Torr en verhit tot 1135 C - 14 C gedurende 10 minuten. De cyclus produceert een vloeibare zone met een dikte van 5,08 ytf m tot 50,8 juts, op het met borium bedekte bekledingsopper-vlak dat de bekleding naar de schoep afdicht.

35 Hierna laat men de oven afkoelen, wordt de schoep verwijderd en visueel geïnspecteerd op spleten rondom de verbindingen van de bekleding met de schoep. Het onderdeel wordt vervolgens geïnspecteerd door de druk op te voeren tot 21,09 Kg. per cm2 in een helium drukvat en snel ontlast waarna de schoep verwijderd wordt uit het drukvat en ondergedom-40 peld wordt in methanol. De afwezigheid van belletjes geeft aan dat er een 8103614

SS V

- 6 - lekdichte afdichting bestaat tussen de bekleding en de schoepen.

De schoep wordt vervolgens geplaatst in een heet isostatisch o 2 drukvat en verhit tot 1093 C onder een argondruk van 10,55 Kg per mm en onder zodanige condities gehouden gedurende 1 tot 3 uur. De HID-cyclus 5 sluit eventuele .porositeit af, die gebleven is tussen de bekleding en de schoep en voltooid de diffusie van het borium weg van het grensvlak tussen bekleding en schoep, waardoor de smelttemperatuur van het grensvlak-gebied stijgt. De schoep wordt dan verwijderd uit de autoclaaf en ultrasoon geïnspecteerd om eventuele gebreken te bespeuren in de binding van 10 de bekleding aan de schoep.

Tenslotte wordt de beklede schoep verouderd bij 24 uur en bij 843° C teneinde de mechanische eigenschappen te ontwikkelen van de superlegering onderlaag en wordt de schoep iets geblended op een band-schuurmachine, teneinde de bekledingslas . uit te spreiden en eventuele 15 plooien in de gebonden bekleding af te vlakken.

VOORBEELD 2

Een vel ter dikte van 762μm - 50,8 y»m van bekledingsmateriaal (25% Cr, 3% Al, 5% Ta, 10% Ni, 0,2% Y, en de rest Co) wordt afgesneden tot de ruwe maat vereist voor het koud vormen tot een commerciële eerste trap 20 enkelbladig mondstuk. Drie stukken zijn vereist, een voor de draagpro-fiel sectie, en elk een voor de beide eindwanden van het mondstuk.

De drie voorvormen worden dan koud gevormd op een serie progressieve matrijzen, totdat zij zich bevinden binnen nauwe conformering met de omhulling van de gewenste vormen van het draagprofiel en de eindwand.

25 Voldoende materiaal wordt gelaten op elk stuk, zodat een overlap naad kan worden gemaakt tussen de bekledingsstukken van het draagprofiel en de eindwand.

De gevormde bekledingsstukken worden dan bedekt met 7,75 - 9,30 2 gram per m van gediffundeerd borium aan het inwendige oppervlak alleen.

30 Na ultrasone reiniging en ontvetting in freon van de bedekte beklede stukken en mondstuk, worden de beklede stukken samengesteld en met behulp van capacitieve ontlading gelast met dicht bij elkaar gelegen lassen aan het mondstuk en aan elkaar.

Het mondstuk en de bekleding worden vervolgens geplaatst in -4 35 een vacuum oven en warmte behandeld bij een vacuum van 10 Torr bij 1129° C - 14° C gedurende een uur. De cyclus produceert een vloeibare zone met een dikte van 5,08 m tot 50,8 aan het met borium bedekte bekledingsoppervlak, dat de bekledingsstukken aan elkaar en aan het mondstuk afdicht.

40 Het mondstuk wordt visueel geïnspecteerd op spleten rondom alle 8103614 % > Γ - 7 - bekledingsverbindingen en ook voor onderdompeling in methanol, een proces beschreven in Voorbeeld 1.

Het mondstuk wordt dan onderworpen aan HID bij 1121° C onder 2 een argondruk van 10,55 Kg per mm gedurende 1 tot 3 uur.

5 Diverse veranderingen en wijzigingen kunnen worden gemaakt in de werkwijze en het proces volgens de onderhavige uitvinding zonder buiten de geest en omvang van de uitvinding te geraken.

De diverse uitvoeringsvormen die hier becchreven zijn, waren voor een verdere illustratie van de uitvinding, maar niet voor een beperking er van.

10 81 0 3 u ι 4

Claims (9)

1. Werkwijze voor het opbrengen van een bekleding op een onderlaag of substraat, waarbij men tenminste een van de naar elkaar gekeerde oppervlakken van de bekleding en de onderlaag bedekt met borium, de bekleding op de onderlaag samenstelt en het resulterende samenstel 5 onderwerpt aan een tijd-· en temperatuur cyclus, voldoende om te maken dat een vloeibare zone zich vormt tussen de naar elkaar gekeerde oppervlakken van de bekleding en de onderlaag.

2. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de hoeveelheid voor het bedekken gebruikte borium voldoende is om een 10 nominale vloeibare zone te creëren met een dikte van ongeveer 5,08 tot 101,6 jam.

3. Werkwijze volgens conclusie 2, met het kenmerk, dat het borium het enige smeltpunt verlagende middel is voer de oppervlakken van de aanwezige bekleding en onderlaag.

4. Werkwijze volgens conclusie 3, met het kenmerk, dat het •drarium zodanig als deklaag opgebracht wordt, dat de gehele zöne waarover de bekleding en de onderlaag aan elkaar grenzen, bij hun samenstelling bedekt is.

5. Werkwijze volgens conclusie 4, met het kenmerk, dat de 20 tijd van de tijd- en temperatuurcyclus ongeveer 0,05 - 20 uur bedraagt en de temperatuur uit de tijd- en temperatuurcyclus ongeveer 1038 - 1260°C bedraagt.

6. Werkwijze volgens conclusie 5, mèt het kenmerk, dat de tijd ongeveer 0,1-4 uur is en de temperatuur ongeveer 1131 -1177° C is.

7. Werkwijze volgens conclusie 1 of 6, met het kenmerk, dat het samenstel, volgend op de cyclus, onderworpen is aan heet isostatisch persen.

8. Werkwijze volgens conclusie 7, met het kenmerk, dat de bekleding en de onderlaag individueel superlegeringen zijn.

9. werkwijze volgens conclusie 8, met het kenmerk, dat de kleding een nikkel-chroomlegering is. ---++--- 8103514