NO177106B - Belagt og reparert gjenstand med forbedret oksydasjonsmotstandsdyktighet og fremgangsmåte for fremstilling av denne - Google Patents

Description

Den foreliggende oppfinnelse angår belagte og reparerte gjenstander belagt med metalliske belegg på en metallisk overflate av gjenstandene, og en fremgangsmåte for fremstilling av gjenstandene med forbedret oxydasjonsmotstandsdyktighet for slike belegg.

Oppfinnelsens bakgrunn

Påføringen av visse beskyttende metalliske belegg på legeringsoverflater, spesielt av typen basert på nikkel eller kobolt, er beskrevet i slike US patenter som nr. 3540878 (Levine et al, nr. 3598638 (Levine) (former av hvilke av og til betegnes som CODEP-belegg) og nr. 3976436 (Chang)

(representative for disse typer av belegg betegnes av og til som MCrAl-gruppen av belegg). Dessuten er anvendelse av fluoridioner for rensing eller behandling av metalliske overflater eller materialer beskrevet i US patenter nr. 4098540 (Keller et al ) og nr. 4249963 (Young). Be-skrivelsene i samtlige av de ovennevnte patenter er herved her innarbeidet ved henvisning.

Utviklingen av avanserte gassturbinmotorer har

ført til konstruksjon av visse varmseksjonsdeler som er be-regnet å arbeide under omgivelsesbetingelser som er til-tagende mer kraftige, for eksempel oxydasjonsbetingelser.

Det er vanlig praksis innen den angjeldende teknikk å forbedre oxydasjonsmotstanden til overflatene for slike deler ved påføring av metalliske belegg, for eksempel av den ovenfor angitte type. Resultatet kan være forbedret driftsleve-alder for den belagte del som kan være meget .kostbar å er-statte og kostbar å reparere.

Oppsummering av oppfinnelsen

Det tas ved oppfinnelsen sikte på å tilveiebringe en metallbelagt legeringsgjenstand med forbedret oxydasjonsmotstandsdyktighet.

Det tas ved oppfinnelsen videre sikte på å tilveiebringe en fremgangsmåte for fremstilling av legeringsgjenstander med metalliske belegg med forbedret oksydasjonsmotstandsdyktighet .

Det tas ved oppfinnelsen spesielt sikte på å tilveiebringe en fremgangsmåte for å forbedre oxydasjonsmotstands-dyktigheten til metalliske belegg som skal arbeide ved høy temperatur og er påført på overflater av nikkelbaserte eller koboltbaserte superlegeringsgjenstander.

Disse og andre formål og fordeler vil lettere forstås

ut fra den følgende detaljerte beskrivelse, tegningen og de spesifikke eksempler på den foreliggende oppfinnelse.

Ved den foreliggende oppfinnelse tilveiebringes en belagt gjenstand henholdsvis en reparert gjenstand med et metallisk belegg, som angitt i henholdsvis krav 1 og 2.

Ved den foreliggende oppfinnelse tilveiebringes også en fremgangsmåte for å forbedre oxydasjonsmotstandsdyktighets-levealderen til kombinasjonen av et metallisk belegg avsatt på en metallisk deloverflate som innbefatter elementet bor i dens sammensetning, som angitt i krav 4.

Fremgangsmåten omfatter de trinn at overflatedelen behandles for å redusere dens borinnhold inntil en dybde av 0,127 mm for å gi en behandlet overflate. Deretter blir et metallisk belegg avsatt,på den behandlede overflate. Behandlingen innbefatter at overflaten utsettes for gassformige fluoridioner som reagerer med boret i overflaten under dannelse av en gassformig borforbindelse som deretter avgis fra overflaten.

I henhold til en mer spesifikk utførelsesform tilveiebringes ved den foreliggende fremgangsmåte forbedring av oxy-das jonsmotstandslevealderen til kombinasjon av et metallisk belegg som er avsatt på en gjenstands overflate som innbefatter en reparert del, som angitt i krav 8.

For eksempel kan en slik reparert del omfatte selve gjenstandslegeringen som innbefatter elementet bor, og et metallisk reparasjonsmateriale, typisk i en fordypning eller sprekk i gjenstanden, idet reparasjonsmaterialet har en sammensetning som er forskjellig fra sammensetningen til gjenstandslegeringen. Reparasjonsmaterialet er bundet til gjenstandslegeringen. Den foreliggende fremgagnsmåte omfatter behandling av den reparerte del for å redusere borinnholdet i reparasjonsmaterialet, hvorved fås en behandlet overflate, og deretter avsettes det metalliske belegg på den behandlede overflate.

Den belagte gjenstand ifølge den foreliggende

oppfinnelse som omfatter en legeringsoverflate basert på

Ni og/eller Co og som også innbefatter B, har en diffusjonssone som er særpreget ved den betydelig reduserte mengde

av boridnåler, for eksempel kromborid, som passerer gjennom diffusjonssonen fra belegget inn i legeringsoverflaten.

Kortfattet beskrivelse av tegningen

På tegningen viser

Figur 1 et forstørret skjematisk oppriss i snitt av et frag-ment av et metallisk materiale innbefattende en reparert del, Figur 2 en skjematisk fremstilling av et mikrofotografi med en forstørrelse på 1000 av et belagt prøvestykke ikke behandlet i henhold til den foreliggende oppfinnelse, og Figur 3 en skjematisk fremstilling av et mikrofotografi med eh forstørrelse på 1000 av et belagt prøvestykke som er blitt behandlet i overensstemmelse med den foreliggende oppfinnelse .

Beskrivelse av de foretrukne utførelsesformer

På grunn av konstruksjonens kompleksitet og vanskelig-het med å fremstille gassturbinmotordeler som skal arbeide ved høye temperaturer, spesielt slike som roterer i en sterkt oxyderende atmosfære ved høy temperatur, er det i alminnelighet mindre kostbart å reparere delen enn å er-statte denne. Resultatet er at et forholdsvis bredt spek-trum av metoder er blitt utviklet som angår reparasjon av slike deler eller gjenstander. En metode er beskrevet i det ovennevnte, US patent nr. 4098450 til Keller et al. Andre reparasjonsmetoder som innbefatter metalliske pulvere eller pulverblandinger som kan anvendes for utførelsen av en slik metode, er beskrevet i US patent nr. 4381994

(Smith et al ) og i US patent nr. 4830934 (Ferrigno et al ) med tittelen "Legeringspulverblanding for behandling av legeringer".

Ved bedømmelsen av reparasjonsmetoder og reparasjonen av gassturbinmotorgjenstander som skal arbeide ved høy temperatur og som er av den type som er fremstilt fra nikkelbaserte eller koboltbaserte superlegeringer, ble det iakttatt at de ovenfor identifiserte aluminidtypebelegg, som av og til betegnes som CODEP-belegg og som er mer fullstendig beskrevet i de ovennevnte patenter til Levine et al og til Levine, i enkelte tilfeller ble betydelig hurtigere for-ringet under oxyderende betingelser enn under andre betingelser. En slik forringelse var mer fremherskende da et slikt belegg ble påført over en reparert del av en nikkelbasert eller koboltbasert superlegeringsgjenstand som var blitt reparert under anvendelse av et materiale som hadde en sammensetning som var forskjellig fra superlegeringens. En slik kombinasjon av metalliske materialer og belegg er vist på Figur 1. I denne Figur innbefatter en legeringsgjenstand 10 en reparert del vist generelt ved 12 og omfattende en fordypning eller et riss, som en sprekk 14 i gjenstanden 10, et metallisk reparasjonsmateriale 16 bundet i fordypningen 14 og et metallisk belegg 18 avsatt over den reparerte del 12.

Ved bedømmelsen av den foreliggende oppfinnelse i forbindelse med den type av metallisk kombinasjon som er vist i Figur 1, ble det erkjent at oxydasjonslevealderen til et metallisk belegg, som et belegg som innbefatter elementet aluminium (f.eks. i et aluminidbelegg), kunne for-bedres minst 2 ganger og i enkelte tifeller 10 ganger ved å la elementet bor bli utarmet fra overflaten til den reparerte del før påføring av det metalliske belegg. Fordi legeringstypen generelt betegnet som superlegeringer eller reparasjonslegeringen eller begge innbefatter elementet krom, foreligger bor i overflaten hyppig i form av kromboridfaser. Den foreliggende oppfinnelse angår behandling av legeringens overflatedel. Reaksjoner er derfor overflatefenomener og påvirker materialet til innen 0,127 mm fra overflaten og generelt til innen 0,051 mm fra overflaten. Reduksjon av slike boridfaser før påføring av et metallisk belegg er sterkt fordelaktig av minst to grunner. For det første vil fjernelse av slike stapelutskillinger fra overflaten redusere antallet av sprekkdannelsesigangsettelsessteder og befordre god oxydvedhengning under termisk syklisering. For det annet synes den å befordre dannelsen av en mer effektiv, kontinuerlig diffusjonssone. Det ble iakttatt at denne behandling tillot den beskyttende aluminiumoxydfilm å bli regenerert ved forhøyede temperaturer, for eksempel innen området fra 1121 til 1149°C.

Ved bedømmelsen av den foreliggende oppfinnelse ble undersøkelser utført for bedre å forstå virkningen av over-flaterelaterte fenomener. En slik undersøkelse innbefattet en gassturbinmotoraerofoil laget av en koboltbasert superlegering som av og til betegnes som WI-52, som konstruk-sjons- eller basislegeringen.. Den nominelle sammensetning, basert på vekt, for WI-52-legeringen er 21% Cr, 11% W, 2% Nb, 2% Fe og 0,45% C idet resten hovedsakelig utgjøres av Co og tilfeldige forurensninger. Et slikt aerofoilmateriale ble fremstilt under anvendelse av en reparasjonssekvens som var utviklet for en slik legering. Overflaten ble kornblåstmed aluminiumoxydmedia og kjemisk behandlet for å fjerne et diffundert aluminidbelegg, hvorefter den ble eksponeert for fluoridioner og vakuumrenset. Da basismaterialet var blitt tilberedt på denne måte, ble en koboltbasert reparasjonslegering som er identifisert som SA-l-legering og er mer fullstendig definert i det ovennevnte US

patent til Ferrigno et al, påført. Den nominelle sammensetning til legeringen SA-1 er, basert på vekt, 28% Cr, 4,5% W, 10% Ni, 1% Al, 1,5% Ti, 1,5% Ta, 1% B, 0,3% Si og 0,15% Zr idet resten utgjøres av Co og tilfeldige forurensninger.

SA-l-legeringen ble påført på vilkårlige overflate-områder av aerofoilen, hvorefter prøvestykket ble behandlet ved hjelp av den slagloddings-/diffusjonssyklus som er utviklet for SA-l-legeringen. Slaglodding ble utført innen temperaturområdet fra 1177 til 1232°C i ca. 0,5 time efter-fulgt av diffusjon innen området fra 1093 til 1177 C i 8-15 timer. De slagloddede områder på WI 52-basislegeringen ble freset med en carbidfres for å fjerne det tantal-/

b

titanrike overflateområde, og aerofoilen ble derefter oppdelt i flere stykker for ytterligere bedømmelse og for å fastsette basislinjeprøver. Enkelte av stykkene ble utsatt for en fluoridionesyklus før et aluminidbelegg ble påført. En slik syklus innbefattet eksponering av prøvene for en atmosfære av fluoridioner på en måte som er beskrevet i de ovennevnte US patent nr. 4249963 (Young) og nr. 4098450 (Keller et al). I dette eksempel var eksponeringstemperaturen ca. 954°C innen området fra 927 til 982°C i 1-2 timer. Fluorid-ionene kom fra hydrogenfluoridgass i en gassformig blanding i en konsentrasjon av 5-15 volum%, idet resten utgjordes av hydrogengass. Et belegg av aluminidtypen, av og til betegnet som CODEP-belegg og mer fullstendig beskrevet i det ovennevnte US patent nr. 3540878 (Levine et al), ble påført på prøvestykker som var blitt eksponert for fluoridioneatmos-færen, såvel som på dem som ikke var blitt eksponert på denne måte. Ved en slik belegningspåføring er en diffusjons-behandling innbefattet innen temperaturområdet av fra 1038 til 1061°C, og denne fører til at det dannes ~eh""d'ifffusjons.-., sone mellom belegget og substratet på hvilket belegget er blitt påført, i dette tilfelle SA-l-legeringen. Dette ble oppnådd ved å bedømme den innbyrdes reaksjon og de overflatefenomener som var forbundet med slike metoder.

Mikrografiske undersøkelser av deler av slike prøve-stykker, i den grad de angår den foreliggende oppfinnelse,

er oppsummert i de skjematiske fremstillinger på Fig. 2 og 3. Slike oppriss er fragmenter av snitt tatt gjennom prøve-stykkene behandlet som beskrevet ovenfor og iakttatt ved en forstørrelse på 1000 ganger. På Fig. 2 og 3 er en del 16 reparasjonslegeringen i form av den ovenfor beskrevne SA-1-legering avsatt på et WI-52 legeringssubstrat (ikke vist).

Et belegg 18 er av det ovenfor beskrevne aluminiddiffusjons-belegg av typen CODEP. Innbefattet i CODEP-belegnings-prosessen er et diffusjonstrinn som, i den grad det angår den foreliggende oppfinnelse, førte til dannelse av en diffusjonssone som innbefattet en kromboridfase 20 og en wolframrik fase 22 som et resultat av at disse elementer er tilstede i SA-l-reparasjonslegeringen.

Fig. 2 viser resultatene av behandling av prøvestykket uten eksponering av overflaten til SA-l-reparasjonslegeringen for fluoridioner, i henhold til den foreliggende oppfinnelse, før påføringen av CODEP-belegget. Fremstillingen vist på Figur 3 gjelder et prøvestykke som ble eksponert for fluoridionebehandling, i overensstemmelse med den foreliggende oppfinnelse, før CODEP-belegningen. En sammenligning mellom Figur 2 og Figur 3 viser klart at anvendelse av fluoridione-eksponering før belegning, i henhold til den foreliggende oppfinnelse, betydelig reduserer kromboridfasens evne til å danne eller utskille "nåler", som de som er vist ved 24 og 26 i Figur 2, som forløper gjennom diffusjonsområdet fra CODEP-belegget og inn i SA-l-reparasjonslegeringen. Slike nåler antas å være sprekkdannelsesigangsettelsessteder og en bane som gjør det mulig for oxygen å trenge fra CODEP-belegget inn i SA-l-reparasjonslegeringen, hvorved oxydasjons-svikt befordres. Det fremgår av Figur 3 som er representativ for resultater oppnådd i henhold til den foreliggende oppfinnelse og hvor et gjennomsnitt på minst 50% av nålene er eliminert, at det dannes en mer effektiv, kontinuerlig krom-boridf ase 20 tilgrensende til en wolframrik fase 22 i diffusjonssonen mellom CODEP-belegget og SA-l-reparasjonslegeringen. Det ble iakttatt at dette gjorde det mulig for en beskyttende aluminiumoxydfilm fra CODEP-belegget å regenerere seg selv ved forhøyede temperaturer for eksempel innen området fra 1093 til 1149°C, og dette antyder en mer betydelig reduksjon av gjennompasserende nåler.

Som nevnt ovenfor gir den foreliggende oppfinnelse

en minst 2 gangers forbedring av beleggets levealder. Da CODEP-belegg ble anvendt over SA-l-reparasjonslegering, var forbedringen betydelig større, for eksempel opp til en 10 gangers forbedring efter eksponering innen temperaturområdet fra 1093 til 1149°C.

Ved denne bedømmelse ble det iakttatt at den generelle beleggtykkelse og -sammensetning var i det vesentlige den samme med eller uten fluoridionebehandling. Ingen menings-fylte forandringer ble gjort med sammensetningene i det nære overflateområde (inntil 0,127 mm) bortsett fra den ovenfor beskrevne utarming av bor for å hindre dannelse av kromboridnålene beskrevet ovenfor og vist i Figur 2. Be-leggtykkelsen og aluminiuminnholdet ble i det vesentlige uforandret av den ytterligere behandling. En liten reduksjon (for eksempel under 2 vekt%) i krominnhold ble notert, antagelig på grunn av dannelsen av en kromoxydfilm under behandlingen.

Ved den foreliggende oppfinnelse blir sprekkdannelsesigangsettelsessteder som spesielt er av betydning ved termisk syklisering, fjernet på grunn av reduksjonen av bor til inntil 0,127 mm av en overflate som skal belegges. Straks et susbstrat eksponeres på denne måte, kan oxygen diffundere forholdsvis hurtig langs eksponerte korngrenser. Dannelse av interne kobolt- og kromoxyder kan derefter på-skynde svikt for belegg av aluminidtypen.

Claims (9)

1. Belagt gjenstand med forbedret oksydasjonsmotstandsdyktighet, omfattende en legeringsoverflate basert på et element valgt fra gruppen bestående av Ni og Co og innbefattende elementet B hovedsakelig i form av kromborid, og et metallisk belegg diffundert sammen med legeringsoverflaten under tilveiebringelse av en diffusjonssone mellom disse, karakterisert ved at gjenstanden er blitt behandlet ved at en overflatedel av gjenstanden er blitt behandlet for å redusere overflatedelens borinnhold inntil en dybde av 0,127 mm under tilveiebringelse av en behandlet overflate, idet behandlingen av overflatedelen innbefatter at overflatedelen eksponeres for gassformige fluoridioner med hvilke boret vil reagere under dannelse av en gassformig forbindelse, hvorpå det metalliske belegg er blitt avsatt på den behandlede overflate, hvorved diffusjonssonen mellom det metalliske belegg og legeringsoverflaten har en gjennom-snittlig mengde av kromboridnåler som passerer gjennom diffusjonssonen fra belegget og inn i overflatens legering som er minst 50% mindre enn den mengde som ville ha foreligget uten behandlingen.

2. Reparert gjenstand med en reparert del med forbedret oksydasjonsmotstandsdyktighet, idet den reparerte del omfatter en konstruksjonssuperlegering basert på et element valgt fra gruppen bestående av Ni og Co, en fordypning i konstruksjonslegeringen med en repareringslegering i denne, idet reparer-ingslegeringen omfatter elementene B, Cr og W, og et metallisk belegg diffundert sammen med konstruksjonslegeringen og reparasjonslegeringen, karakterisert ved at gjenstanden er blitt behandlet ved at en overflatedel er blitt behandlet for å redusere borinnholdet i overflatedelen inntil en dybde av 0,127 mm for tilveiebringelse av en behandlet overflate, idet behandlingen av overflatedelen innbefatter at overflatedelen eksponeres for gassformige fluoridioner med hvilke boret vil reagere under dannelse av en gassformig forbindelse, hvorpå det metalliske belegg er blitt avsatt på den behandlede overflate, hvorved den reparerte del mellom det metalliske belegg og reparasjonslegeringen omfatter en diffusjonssone som har en i det vesentlige kontinuerlig kromboridfase i hvilken gjennom-snittsmengden av boridnåler som passerer gjennom diffusjonssonen er minst 50% mindre enn den mengde som ville ha forekom-met uten behandlingen.

3. Gjenstand ifølge krav 2, karakterisert ved at det mellom den i det vesentlige kontinuerlige kromboridfase og reparasjonslegeringen er en wolframrik fase.

4. Fremgangsmåte for å forbedre oksydasjonsmotstandsdyk-tighetslevealderen til kombinasjonen av en metallisk overflatedel som innbefatter en nikkelbasért eller koboltbasert reparasjonslegering som innbefatter elementet bor, hovedsakelig i form av kromborid, og et metallisk belegg, innbefattende aluminium, avsatt i den nevnte metalliske overflatedel, karakterisert ved at den omfatter behandling av overflatedelen for å redusere overflatedelens borinnhold inntil en dybde av 0,127 mm for tilveiebringelse av en behandlet overflate, idet behandlingen av overflatedelen innbefatter at overflatedelen eksponeres for gassformige fluoridioner med hvilke boret vil reagere under dannelse av en ga&saktig forbindelse, og deretter avsettes det metalliske belegg på den behandlede overflate.

5. Fremgangsmåte ifølge krav 4, karakterisert ved at det anvendes gassformige fluoridioner som skriver seg fra hydrogenfluoridgass i en gassformig blanding, at hydrogenfluoridgassen i blandingen anvendes i en konsentrasjon av 5-15 volum% idet resten ut-gjøres av hydrogengass, og at behandlingen utføres ved 927-982°C i 1-2 timer.

6. Fremgangsmåte ifølge krav 4 eller 5, karakterisert ved at belegget som avsettes er av diffusjonsaluminidtypen.

7. Fremgangsmåte ifølge krav 4-6, hvor den nevnte kombinasjon av et metallisk belegg avsatt på en metallisk overflatedel utgjør del av en gjenstand, karakterisert ved at belegget avsettes på en metallisk overflatedel som omfatter i det minste første og andre metalliske materialer med forskjellig sammensetning i forhold til hverandre, idet det nevnte første metalliske materiale er en nikkelbasert eller koboltbasert superlegering og det annet metalliske materiale er den nevnte reparasjonslegering som innbefatter elementet bor og som er metal-lurgisk bundet til det første metalliske materiale.

8. Fremgangsmåte ifølge krav 7, karakterisert ved at belegget avsettes på en metallisk overflatedel som innbefatter en reparert del av gjenstanden idet den reparerte del omfatter en gjenstands-legering og den nevnte metalliske reparasjonslegering, og at reparasjonsmaterialet er bundet i en fordypning i gjenstandslegeringen .

9. Fremgangsmåte ifølge krav 8, karakterisert ved at den innbefatter det trinn at det avsatte belegg diffunderes sammen med gjenstands-overflaten for å tilveiebringe en diffusjonssone mellom disse.