NL8502724A

NL8502724A - Metallieke beschermende bekledingen.

Info

Publication number: NL8502724A
Application number: NL8502724A
Authority: NL
Original assignee: Baj Ltd
Priority date: 1984-10-05
Filing date: 1985-10-04
Publication date: 1986-05-01
Also published as: IT8548635A0; FR2571386B1; US4789441A; JPS61179900A; NL193727C; IT1224259B; CA1268139A; JPH0253520B2; DE3535548C2; NL193727B; FR2571386A1; DE3535548A1; BE903377A

Description

* N.0. 33463 1

Metallieke beschermende bekledingen.

De uitvinding heeft betrekking op metallieke beschermende bekledingen, die geschikt zijn voor het beschermen van substraten die be-5 stemd zijn om te worden toegepast of bedreven onder ongunstige omstandigheden, waarbij een verbeterde bestandheid tegen oxydatie, corrosie en/of erosie wordt verschaft. De uitvinding heeft eveneens betrekking op werkwijzen voor het produceren van dergelijke bekledingen. Dergelijke bekledingen kunnen voor diverse doeleinden worden toegepast, maar 10 zijn in het bijzonder waardevol voor de bescherming van stromingspro-fielcomponenten, die aan hoge temperaturen worden blootgesteld, zoals rotorschoepen en statorschoepen van gasturbines. Dergelijke bekledingen worden toegepast om voor de onderdelen materialen te kunnen toepassen bij de keuze waarvan meer rekening wordt gehouden met hun structuur-15 eigenschappen en minder rekening wordt gehouden met hun bestandheid tegen corrosie en dergelijken. Voorbeelden van dergelijke materialen zijn de zogenaamde super!egeringen en in het bijzonder gericht gestolde en monokristallijne componenten.

In EP-B1-0 024 802 wordt een gasturbineschoep beschreven, dat 20 wordt vervaardigd uit een legering op nikkelbasis, die wordt verschaft ^ volgens de sproeitechniek met een plasmaboog, waarbij een deklaagbekle-ding van CoCrAlY wordt toegepast. Deze bekleding kan echter microporeus zijn en derhalve wordt een verdere bekleding van aluminium aangebracht volgens een chemisch neerslagproces met damp, waarbij een drukpuls 25 wordt toegepast. Deze tweetrapswerkwijze blijkt goede resultaten te geven maar is kostbaar en waarschijnlijk niet commerciëel toepasbaar.

Twee werkwijzen voor de vorming van deklaagbekledingen, die voor het beschreven doel kunnen worden toegepast, zijn de sproeitechniek met plasma en de techniek met elektronenstralen. Deze zijn echter beide 30 duur.

Aan de onderhavige uitvinding lag het doel ten grondslag een bekleding te verschaffen, die goede eigenschappen bezit terwijl de kosten redelijk zijn.

Verondersteld wordt, dat de uitvinding ligt in een van de aspec-35 ten, die in de onderstaande alinea's worden beschreven, of in een van de aspecten die in de laatste delen van deze beschrijving zijn aangegeven en meer gedetailleerde voorbeelden betreffen, of in een of meer verenigbare combinaties van aspecten van de twee bovengenoemde groepen, en er dient te worden benadruk, dat dergelijke combinaties beoogd zijn 40 en onder de onderhavige uitvinding vallen, hoewel ze niet alle nauwkeu- ^ j w i- / i. 4 2 rig worden aangegeven.

Volgens de uitvinding wordt een bekleding verschaft volgens een samengestelde elektrische afzetting op een substraat van een metaal-matrix Mi, die CrAlM£ deeltjes bevat, waarin Μχ Ni en/of Co en/of 5 Fe voorstelt en M2 Y, Si, Ti en/of een zeldzaam aardmetaal voorstelt.

Μχ is bij voorkeur Ni of Co of Ni Co. De elektrische afzetting kan elektrolytisch of niet-elektrisch zijn. Voorbeelden van inrichtingen en werkwijzen, die kunnen worden toegepast, worden beschreven UK-A-1 218 179, 1 329 081 en 1 347 184, waarbij bij voorkeur de in 10 UK-B-2 014 189 beschreven inrichtingen en werkwijzen worden toegepast. De voorkeur verdienende deeltjes zijn CrAlY. De deeltjes kunnen eveneens Hf, Ta, Nb, Mn en/of Pt bevatten.

Door het elektrisch bekleden kan een bekleding worden gevormd, waarin deeltjes die de ene fase vormen, gedispergeerd worden in een ma-15 trix, die een tweede fase vormen, en een dergelijke bekleding heeft zeer gewenste eigenschappen en oppervlak-afwerking. De samengestelde bekledingen kunnen tegenover de bekledingen worden gesteld, die volgens sproeitechnieken worden gevormd.

De bekledingen zullen in de praktijk een hitte-behandeling onder-20 gaan om de eigenschappen ervan te verbeteren. Een effect van een hittebehandeling is het teweeg brengen van diffusie tussen de matrix en de deeltjes, zodat de matrix van Μχ ook een zekere hoeveelheid Cr, Al en M2·bevat, terwijl de deeltjes ook een zekere hoeveelheid Μχ bevatten. Voor een aantal toepassingen is het mogelijk de bekleding volgens 25 een "hot isostatic pressing" cyclus (HIP) te behandelen om eventuele sporen van poreusheid in de bekleding te verwijderen. Wanneer de matrix Μχ Ni is, kan de bekleding en natuurlijk het substraat daarvoor een HIP-cyclus van 2 uren bij 1120°C in argon bij 140 MPa worden gegeven.

Gevonden werd, dat werkelijk voortreffelijke resultaten worden 30 verkregen door de nauwkeurige regeling van de deeltjesgrootte-verde-ling. Zo werd gevonden dat voor de beste resultaten deeltjes met een grootte van meer dan ongeveer 15 /urn in de afgezette bekleding moeten worden vermeden, voor zover dit haalbaar is, en derhalve verdient het de voorkeur, dat ten minste 99% van de mede in de bekleding afgezette 35 deeltjes een grootte van minder dan 25 /urn bezitten. Een aanvullende of alternatieve voorkeursuitvoeringsvorm behelst, dat ten minste 97% van de mede afgezette deeltjes een grootte van minder dan 15 /urn bezitten. Een verdere aanvullende of alternatieve voorkeursuitvoeringsvorm behelst, dat ten minste 84% van de mede afgezette deeltjes een 40 grootte van minder dan 10,5 /urn bezitten. Tot bijzondere voorkeur öui i ch *!- * 3 verdienende verdelingen behoren: meer dan 95 gew.% deeltjes met een grootte tussen 3,0 en 13,6 /urn, meer dan 75¾ tussen 3,9 en 10,5 /urn en meer dan 65¾ tussen 5,0 en 10,5 /urn, waarbij deze grenzen individueel of cumulatief toepasbaar zijn en afzonder!ijk of in combinatie 5 toepasbaar zijn met een of meer van de onmiddellijk hieraan voorafgaande voorkeursuitvoeringsvormen voor de hoeveelheden kleiner dan 25 /urn, 15 /urn respectievelijk 10,5 /urn. Voor de meeste omstandigheden van mede-afzetting zullen deze grenzen in het afgezette materiaal worden bereikt door toepassing van dezelfde grenzen op de deel-10 tjesgrootte-verdeling van de deeltjes in het bad, maar wanneer dit het geval is moet er voor worden gezorgd dat doelmatige middelen worden toegepast om een gelijkmatige verdeling van de deeltjes in het gehele bad te verzekeren.

Zoals boven reeds is vermeld wordt de bekleding bij voorkeur aan 15 een hitte-behandeling onderworpen om onderlinge diffusie tussen de bestanddelen van de matrix en de deeltjes te verkrijgen. Hoewel diffusie van meer dan een van de bestanddelen bijdraagt aan de voortreffelijke eigenschappen van de bekledingen volgens de uitvinding, wordt verondersteld dat diffusie van Al van de deeltjes in de matrix bijzonder waar-20 devol is aangezien de beschikbaarheid van Al bij het oppervlak van de bekleding zal leiden tot de vorming van aluminiumoxiden aan het oppervlak wanneer de beklede component in bedrijf is en het is bekend dat aluminiumoxiden een voortreffelijke bestandheid tegen erosie en corrosie verschaffen onder ongunstige omstandigheden, zoals de omstandighe-25 den waaronder bladen en vinnen van gasturbines worden bedreven. De temperatuur en de duur van de warmte-behandeling worden bij voorkeur zodanig gekozen, dat een minimale hoeveelheid van 3 gew^ Al in de matrix-fase van de bekleding wordt verkregen en hoge Al-waarden kunnen gunstig zijn tot waarden die de maximale hoeveelheid Al, die oplosbaar in de 30 matrixfase is (verondersteld wordt ongeveer 4,2 gew^ Al in Co), benaderen.

Voor het verkrijgen van een doelmatige diffusie ligt de laagste effectieve temperatuur waarschijnlijk bij 700°C, maar om een snelle diffusie te verkrijgen verdienen hoge temperaturen de voorkeur, waarbij 35 een geschikt gebied ligt tussen 1050 en 1150°C, in het bijzonder tussen 1100 en 1140°C, waarbij de noodzakelijke periode tussen een 1/2 en 2 1/2 uren ligt. Zeer goede resultaten worden bereikt bij 1-2 uren bij 1100°C onder verminderde druk, maar langere tijden kunnen in sommige gevallen voordelig zijn, in het bijzonder wanneer lagere temperaturen 40 worden toegepast.

ί i Q *-7 Λ r 'j £ / ά -f 4

De verhoudingen van de bestanddelen van de deeltjes kunnen binnen ruime grenzen variëren, maar de verhoudingen van Cr en Al liggen bij voorkeur tussen 80/20 en 50/50, terwijl het gehalte aan M2 in de deeltjes aanzienlijk kleiner zal zijn dan dat van de andere twee be-5 standdelen, bij voorkeur kleiner dan 2,5 gew.%, in het bijzonder kleiner dan 2,0 gew.%. Bijzondere voorkeur verdient

Cr-37,3 gew.% Al-1,7 gew.% Y. Hoewel CoCrAlY bekledingen voor vele toepassingen geschikt zijn, bijvoorbeeld voor motoren van luchtvaartuigen, kunnen de bekledingen van NiCoCrAlY en CoNiCrAlY hiervoor voor deze en 10 andere toepassingen de voorkeur verdienen. Voor krachtcentrales in de scheepvaart en industrie kunnen bekledingen met hoge percentages chroom (bijv. tot 40 gew.%) en met silicium (bijv. tot 10 gew.%), platina (bijv. tot 10 gew.%) en hafnium (bijv. tot 5 gew.%) vereist zijn.

Het zal duidelijk zijn, dat de voorkeursaspecten van de uitvinding 15 op diverse manieren gekarakteriseerd kunnen worden. Zo kan volgens een aspect (waarbij men zich moet realiseren dat de uitvinding vele bredere aspecten heeft) de uitvinding worden gezien in een substraat, dat een deklaagbekleding van MxCrAlM2 heeft (waarin Μχ Co, Ni of NiCo is en M2 Y, Si en/of Ti maar bij voorkeur Y is), waarbij deze deklaagbe-20 kleding is aangebracht door elektrisch bekleden van een matrix van Μχ en deeltjes van CrAlM2> waarbij in de afgezette toestand meer dan 97 gew.% van de deeltjes kleiner dan 15 /urn is, waarbij de bekleding een hitte-behandeling heeft ondergaan om een minimale hoeveelheid van 3 gew.% Al in de matrix te verkrijgen.

25 De uitvinding kan op diverse wijzen worden uitgevoerd, waarvan thans slechts drie voorbeelden worden gegeven.

Staven van MarM002 werden bekleed met de in UK-A-2 014 189 beschreven technieken en apparatuur.

In voorbeeld I bevatte het bad een CoNi-bekledingsoplossing en de 30 deeltjes waren van CrAlY, dat 60 gew.dln Cr op 40 gew.dln Al en 1,7 gew.% Y met een deeltjesgrootte-verdeling, zowel in het bad als in de afgezette bekleding, volgens kolom I van de volgende tabel bevatte.

Ά a fl ? 794 -J >*> Sm ƒ “f 5

Tabel

Bekleding I II III

5 Gebied van de deeltjesgrootte gew.% gew.% gew.% 118,4 54,9 000 54.9 33,7 0,2 0 0 10 33,7 23,7 2,9 0,3 0,1 23.7 17,7 5,9 1,3 0,7 17.7 13,6 14,8 4,3 2,9 13,6 10,5 20,2 17,7 11,7 10,5 8,2 18,1 38,1 30,5 15 8,2 6,4 12,4 18,3 21,1 6,4 5,0 7,8 12,3 18,0 5.0 3,9 7,5 8,2 9,8 3.9 3,0 0,2 0,1 5,1 3.0 2,4 0 0 0,1 20 2,4 1,9 0

Na het bekleden (plateren) werd de staaf met de samengestelde dek-laagbekleding erop aan een hitte-behandeling van 1 uur bij 1100°C onder verminderde druk onderworpen. Een microafbeelding (met een oorspronke-25 lijke vergroting van 400) van de bekleding na de hitte-behandeling wordt weergegeven in figuur 1. De bekleding omvat een matrix van CoNi waarin hoeveelheden Cr, Al en Y gediffundeerd zijn en deeltjes, waarin hoeveelheden Co en Ni gediffundeerd zijn. De matrix bevat ongeveer 20¾ Cr en ongeveer 4¾ Al. De bekleding heeft goede eigenschappen.

30 In voorbeeld II bevatte het bad een Co-bekledingsoplossing en de deeltjes waren van CrAlY, dat 50 gew.dln Co op 50 gew.dln Al bevatte en 1,7 gew.% Y met een deeltjesgrootte-verdeling, zowel in het bad als in de afgezette bekleding, zoals gegeven in kolom II van de bovenstaande tabel. De staaf werd evenals in voorbeeld II aan een hitte-behandeling 35 onderworpen en een microafbeelding van de bekleding na de hitte-behandel ing wordt weergegeven in fig. 2. De bekleding heeft goede eigenschappen. Bij een proef bleek de bekleding meer dan 600 uren intact te blijven in vergelijking met een gewoonlijk toegepaste aluminide-bekle-ding, die slechts 200 uren intact bleef.

40 In voorbeeld III bevatte het bad een Co-bekledingsoplossing en de ·»» t Λ ·> : i v I y „-i, 'i '-Jm jr m. - "t v .

6 deeltjes waren van CrAlY, dat 60 gew.dln Cr op 40 gew.dln Al bevatte en 1,7 gew.% Y met een deeltjesgrootte-verdeling, zowel in het bad als-in de afgezette bekleding, zoals wordt weergegeven in kolom III van de bovenstaande tabel. De staaf werd evenals in de voorbeelden I en II aan 5 een hitte-behandeling onderworpen en een microafbeelding van de bekleding wordt weergegeven in fig. 3. Gevonden werd, dat hoewel de eigenschappen van de bekledingen van de voorbeelden I en II goed zijn, de bekledingen volgens voorbeeld III voortreffelijk zijn. De bekleding is zeer dicht, hechtend en glad en bezit een fijne microstructuur met een 10 gelijkmatige verdeling van de deeltjes en geen zwakke zones, zoals duidelijk blijkt uit fig. 3.

Aanzienlijke hoeveelheden Al (alsmede een zekere hoeveelheid Cr en Y) zijn uit de deeltjes in de Co-matrix gediffundeerd en Co is in de deeltjes gediffundeerd, zodat de bekleding bestaat uit een twee-fasen-lege-15 ring, waarbij de matrixfase kobalt, chroom, aluminium en yttrium bevat en de deeltjes dezelfde bestanddelen maar in andere verhoudingen bevatten. Na oxydatie bij 1000°C ontwikkelt deze legering op het oppervlak een oxide, dat rijk aan aluminiumoxide is en dat bijzonder goed bestand is tegen erosie en corrosie. Bij een proef met een brander bij 1100°C 20 blijkt de bekleding gedurende 600 uren intact te blijven, in tegenstelling met een bekleding met een soortgelijke totale samenstelling, die was verkregen door sproeien met argon versterkt plasma, die slechts . 400 uren intact bleef.

Het zal duidelijk zijn, dat de uitvinding deklaagbekledingen met 25 buitengewoon voordelige eigenschappen verschaft. Opgemerkt wordt, dat voor de bekledingen fijne deeltjes worden gebruikt, die gelijkmatig worden verdeeld in een matrix die in alle richtingen gelijk is, waardoor een afwerking van het oppervlak van zeer hoge kwaliteit wordt verkregen, waarbij weinig of geen extra bewerking nodig is; in het alge-30 meen zal de bekleding een hitte-behandeling ondergaan maar geen andere afwerkbehandeling. Dit staat in tegenstelling met werkwijzen, waarbij wordt gesproeid en fysisch damp wordt afgezet, waarbij bekledingen worden gevormd die de neiging hebben structuren te bezitten, die grove af-werklagen bezitten, waarbij een zeer langdurige afwerking vereist is.

35 Deze bekledingen moeten gewoonlijk worden uitgehamerd om drukspanningen in het oppervlak weg te nemen en herkristallisatie na de hitte-behande-ling te stimuleren. Door sproeien met plasma verkregen afzettingen vereisen normaliter ook een polijstbewerking wegens het ruwe oppervlak dat bij deze werkwijze wordt verkregen.

85 0 2 72 4

Claims

1. Bekleding, gevormd door samengestelde elektrische afzetting op een substraat van een metalieke matrix Μχ, die CrAlMg-deeltjes be- 5 vat, waarbij Μχ Ni, Co en/of Fe voorstelt en Mg Y, Si, Ti en/of een zeldzaam aardmetaal voorstelt.

2. Bekleding volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat Mg Y voorstelt.

3. Bekleding volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk, dat de 10 deeltjes tevens Hf, Ta, Nb, Mn en/of Pt bevatten.

4. Werkwijze voor het vormen van een bekleding op een substraat, met het kenmerk, dat men een metalen matrix Μχ elektrisch doet neerslaan uit een bad, dat CrAlMg-deeltjes bevat, teneinde de deeltjes mede met de matrix af te zetten, waarbij Μχ Ni, Co en/of Fe voorstelt 15 en Mg Y, Si, Ti en/of een zeldzaam aardmetaal voorstelt.

5. Werkwijze volgens conclusie 4, met het kenmerk, dat Mg Y voorstelt.

6. Werkwijze volgens conclusie 4 of 5, met het kenmerk, dat de deeltjes tevens Hf, Ta, Nb, Mn en/of Pt bevatten.

7. Werkwijze volgens een of meer der conclusies 4-6, met het ken merk, dat ten minste 99 gew.% van de deeltjes in de afgezette bekleding kleiner dan 25 /um zijn.

8. Werkwijze volgens een of meer der conclusies 4-7, met het kenmerk, dat ten minste 97 gew.% van de deeltjes in de afgezette bekleding 25 kleiner dan 15 /urn zijn.

9*. Werkwijze volgens een of meer der conclusies 4-8, met het kenmerk, dat ten minste 84 gew.% van de deeltjes in de afgezette bekleding kleiner dan 10,5 /um zijn.

10. Werkwijze volgens een of meer der conclusies 4-9, met het ken-30 merk, dat ten minste 95 gew.% van de deeltjes een grootte tussen 3,0 en 13,6 /um bezitten.

11. Werkwijze volgens een of meer der conclusies 4-10, met het kenmerk, dat ten minste 75 gew.% van de deeltjes een grootte tussen 3,9 en 10,5 /um bezitten.

12. Werkwijze volgens een of meer der conclusies 4-11, met het kenmerk, dat ten minste 65 gew.% van de deeltjes een grootte tussen 5,0 en 10,5 /um bezitten.

13. Werkwijze volgens een of meer der conclusies 4-12, met het kenmerk, dat men de afgezette bekleding aan een hitte-behandeling on-40 derwerpt om een onderlinge diffusie van de bestanddelen van de matrix ~ ~ ^ O 7 £ J sj 'J £- / L *i JL ; * - 8 en de deeltjes te verkrijgen. i

14. Werkwijze volgens conclusie 13, met het kenmerk, dat de hitte— 1 behandeling een bekleding oplevert, die ten minste 3 gew.% Al in de ma trix- fase bevat.

15. Werkwijze volgens conclusie 13 of 14, met het kenmerk, dat de I hitte-behandeling wordt uitgevoerd bij een temperatuur tussen 1050 en ! 1150°C.

: 16. Werkwijze volgens conclusie 13 of 14, met het kenmerk, dat de i hitte-behandeling wordt uitgevoerd bij een temperatuur tussen 1090 en * 10 1140°C.

17. Werkwijze volgens conclusie 13 of 14, met het kenmerk, dat de ! hitte-behandeling gedurende 1-2 uren onder verminderde druk wordt uit gevoerd bij 1100°C.

18. Werkwijze volgens een of meer der conclusies 4-17, met het 15 kenmerk, dat de verhouding van Cr en Al in de afgezette deeltjes 80/20 tot 50/50 bedraagt.

19. Werkwijze volgens een of meer der conclusies 4-18, met het kenmerk, dat de hoeveelheid M£ in de afgezette deeltjes kleiner dan 2,5 gew.% is.

20. Werkwijze volgens een of meer der conclusies 4-18, met het kenmerk, dat de hoeveelheid M2 in de afgezette deeltjes kleiner dan 2,0 gew.% is.

21. Werkwijze volgens een of meer der conclusies 4-18, met het kenmerk, dat de afgezette deeltjes bestaan uit 25 37,3 gew.% Al, 1,7 gew.% Y en verder Cr.

22. Substraat met een deklaagbekleding van MjCrA^ (waarin Μχ Co, Ni of NiCo voorstelt en M2 Y, Si en/of Ti voorstelt}, aangebracht door samen elektrisch afzetten van een matrix van Μχ en CrAlM2-deeltjes, die in de afgezette toestand meer dan 97 gew.% deel- 30 tjes met een grootte van minder dan 15 /urn bevatten, waarbij de bekleding aan een hitte-behandeling is onderworpen teneinde een hoeveelheid van ten minste 3 gew.% Al in de matrix te verkrijgen. +++++++++++ 3502 724