PL201071B1

PL201071B1 - Sposób wytwarzania powierzchniowej aluminiowej warstwy ochronnej na przedmiocie ze stopu na bazie niklu

Info

Publication number: PL201071B1
Application number: PL350174A
Authority: PL
Inventors: Jeffrey Allan Pfaendtner; Joseph David Rigney; Michael James Weimer
Original assignee: Gen Electric
Priority date: 2000-10-20
Filing date: 2001-10-17
Publication date: 2009-03-31
Also published as: US6533875B1; KR100671575B1; PL350174A1; MXPA01010702A; CN1279206C; EP1199377B1; SG106642A1; CN1363714A; KR20020031077A; BR0104618A; BR0104618B1; EP1199377A2; JP4162394B2; EP1199377A3; JP2002266064A

Abstract

Sposób wytwarzania powierzchniowej alu- miniowej warstwy ochronnej na przedmiocie ze stopu na bazie niklu, zw laszcza lopatk e (20) silnika turbogazowego, polega na tym, ze kszta ltuje si e przedmiot, wytwarza si e pian e zawieraj ac a stop b ed acy donorem metalu i srodek spieniaj acy, a nast epnie doprowadza sie do kontaktu tej piany z ochranian a po- wierzchni a, po czym ogrzewa si e przedmiot i stop b ed acy donorem metalu do temperatury pokrywania, która jest wy zsza ni z oko lo 0,7 temperatury solidusu stopu b ed acego donorem metalu i odpowiada temperaturze, w której stop b ed acy donorem metalu znajduje si e w postaci skondensowanej fazy kontaktuj acej si e z ochra- nian a powierzchni a przedmiotu, a nast epnie doprowadza si e do dyfuzji wzajemnej stopu b e- d acego donorem metalu do ochranianej po- wierzchni przedmiotu. Korzystnie pokrywa si e wewn etrzn a powierzchni e kana lu z uj sciem na zewn atrz przedmiotu. PL PL PL PL PL PL

Description

(12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) 201071 (13) B1 (21) Numer zgłoszenia: 350174 (51) Int.Cl.

C23C 10/52 (2006.01) C23C 10/26 (2006.01) (22) Data zgłoszenia: 17.10.2001

Sposób wytwarzania powierzchniowej aluminiowej warstwy ochronnej na przedmiocie ze stopu na bazie niklu

	(73) Uprawniony z patentu: GENERAL ELECTRIC COMPANY,
(30) Pierwszeństwo: 20.10.2000,US,09/693,077	Schenectady,US (72) Twórca(y) wynalazku:
(43) Zgłoszenie ogłoszono:	Jeffrey Allan Pfaendtner,Blue Ash,US
22.04.2002 BUP 09/02	Joseph David Rigney,Milford,US Michael James Weimer,Loveland,US
(45) O udzieleniu patentu ogłoszono:
31.03.2009 WUP 03/09	(74) Pełnomocnik: Słomińska-Dziubek Anna, POLSERVICE, Kancelaria Rzeczników Patentowych Sp. z o.o.

⁽⁵⁷⁾ Sposób wytwarzania powierzchniowej aluminiowej warstwy ochronnej na przedmiocie ze stopu na bazie niklu, zwłaszcza łopatkę (20) silnika turbogazowego, polega na tym, że kształtuje się przedmiot, wytwarza się pianę zawierającą stop będący donorem metalu i środek spieniający, a następnie doprowadza się do kontaktu tej piany z ochranianą powierzchnią, po czym ogrzewa się przedmiot i stop będący donorem metalu do temperatury pokrywania, która jest wyższa niż około 0,7 temperatury solidusu stopu będącego donorem metalu i odpowiada temperaturze, w której stop będący donorem metalu znajduje się w postaci skondensowanej fazy kontaktującej się z ochranianą powierzchnią przedmiotu, a następnie doprowadza się do dyfuzji wzajemnej stopu będącego donorem metalu do ochranianej powierzchni przedmiotu. Korzystnie pokrywa się wewnętrzną powierzchnię kanału z ujściem na zewnątrz przedmiotu.

PL 201 071 B1

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania powierzchniowej aluminiowej warstwy ochronnej na przedmiocie ze stopu na bazie niklu.

Wynalazek odnosi się do ochrony powierzchni przedmiotów ze stopu na bazie niklu za pomocą powierzchniowej powłoki ochronnej zawierającej aluminium, a zwłaszcza do ochrony wewnętrznych powierzchni łopatki silnika turbogazowego.

W silnikach turbogazowych (odrzutowych) samolotów powietrze jest wciągane do przedniej części silnika, sprężane przez zamontowaną na wale sprężarkę i mieszane z paliwem. Mieszanina jest spalana, a gorące gazy spalinowe przechodzą przez turbinę zamontowaną na tym samym wale. Przepływ gazów spalinowych obraca turbinę poprzez uderzanie o część płata łopatek turbiny, co z kolei obraca wał i zapewnia napędzanie sprężarki i wentylatora. W bardziej skomplikowanej wersji silnika turbogazowego, sprężarka i turbina wysokoprężna są zamontowane na wale, a wentylator i turbina niskoprężna są zamontowane na oddzielnym wale. W każdym przypadku, gorące gazy spalinowe przepływają z powrotem do silnika napędzając go i samolot do przodu.

Im bardziej gorące są gazy spalinowe, tym bardziej wydajne jest działanie silnika odrzutowego. Jest więc zalecane zwiększanie temperatury gazów spalinowych. Maksymalna temperatura gazów spalinowych jest zwykle ograniczona przez materiały stosowane do wytworzenia łopatek turbiny i płatów łopatek turbiny, o które uderzają gorące gazy spalinowe. W obecnych silnikach, łopatki turbiny są wykonane z nadstopów na bazie niklu i mogą pracować w temperaturach do około 1037-1177°C.

Podejmowano wiele prób w celu zwiększenia granicy temperatur pracy części płatowej łopatek turbin do ich obecnego poziomu. Na przykład, ulepszano skład i obróbkę samych materiałów podstawowych, a także ulepszano techniki krzepnięcia, aby wykorzystać struktury zorientowanych ziaren i struktury o pojedynczych ziarnach.

Może także być zastosowane chłodzenie fizyczne. W jednym sposobie, zastosowano wewnętrzne kanały chłodzące we wnętrzu płata turbiny. Powietrze jest wtłaczane do kanałów chłodzących i wychodzi przez otwory na zewnętrznej powierzchni płata, odprowadzając ciepło z wnętrza płata i, w pewnych przypadkach, zapewniając ochronną warstwę chłodzącego powietrza na powierzchni płata.

W połączeniu z powyż szymi rozwią zaniami, powł oki i ochronne warstwy powierzchniowe s ą stosowane dla zapobiegania korozji i utlenianiu zewnętrznych i wewnętrznych powierzchni łopatek turbiny. Na przykład, powierzchnie kanałów wewnętrznego chłodzenia mogą być chronione za pomocą dyfuzyjnych powłok aluminiowych, które utleniają się do ochronnej powłoki tlenku aluminium, który zapobiega dalszemu utlenianiu wewnętrznych powierzchni. Znanych jest wiele sposobów nakładania powłok aluminiowych, które tworzą wewnętrzną dyfuzyjną aluminiową warstwę ochronną, włącznie z chemicznym osadzaniem z fazy gazowej, aluminiowaniem z fazy gazowej, aluminiowaniem w fazie parowej i sposobami proszkowymi.

W badaniach prowadzą cych do obecnego wynalazku, stwierdzono, ż e pożądane jest osadzanie innych pierwiastków razem z aluminium w celu polepszenia odporności na utlenianie i/lub korozję warstwy ochronnej. Dostępne sposoby osadzania mają wady polegające na tym, że trudno jest nałożyć na wewnętrzne powierzchnie stopy zawierające oprócz aluminium pierwiastki modyfikujące przy właściwej kontroli składu stopów. W konsekwencji, dostępne sposoby dotyczą głównie nakładania prostych dyfuzyjnych aluminków, a nie bardziej złożonych dyfuzyjnych stopów aluminiowych, które wykorzystują pozytywny wpływ pierwiastków stopowych osadzonych razem z aluminium.

Istnieje więc potrzeba ulepszenia sposobu osadzania powłok zawierających aluminium na szczególne obszary, zwłaszcza wewnętrznych powierzchniach przedmiotów takich, jak łopatki turbin gazowych. Obecny wynalazek spełnia tę potrzebę i zapewnia odpowiednie korzyści.

Według wynalazku, sposób wytwarzania powierzchniowej aluminiowej warstwy ochronnej na przedmiocie ze stopu na bazie niklu, w którym kształtuje się przedmiot ze stopu na bazie niklu, przygotowuje się stop będący donorem metalu zawierający aluminium i co najmniej jeden inny pierwiastek, po czym nakłada się stop będący donorem metalu na powierzchnię przedmiotu doprowadzając do kontaktu stopu będącego donorem metalu z ochranianą powierzchnią, po czym ogrzewa się przedmiot i stop będący donorem metalu do temperatury pokrywania, która jest wyższa niż około 0,7 temperatury solidusu stopu będącego donorem metalu i odpowiada temperaturze, w której stop będący donorem metalu znajduje się w postaci skondensowanej fazy kontaktującej się z ochranianą powierzchnią przedmiotu, a następnie doprowadza się do dyfuzji wzajemnej stopu będącego donorem metalu

PL 201 071 B1 do ochranianej powierzchni przedmiotu, charakteryzuje się tym, że przed nałożeniem stopu na wewnętrzną powierzchnię przedmiotu wytwarza się pianę zawierającą stop będący donorem metalu i środek spieniający, którą następnie nakłada się na powierzchnię doprowadzają c stop będący donorem metalu do kontaktu z ochranianą powierzchnią.

Jako przedmiot kształtuje się element silnika turbogazowego, a także korzystnie jako przedmiot kształtuje się łopatkę silnika turbogazowego.

Korzystnie, stop będący donorem metalu nakłada się na wewnętrzną powierzchnię przedmiotu lub na zewnętrzną powierzchnię przedmiotu.

Stop będący donorem metalu może być nakładany na wewnętrzną powierzchnię i na zewnętrzną powierzchnię przedmiotu.

Przygotowuje się stop będący donorem metalu zawierający aluminium i co najmniej jeden inny pierwiastek wybrany z grupy obejmującej chrom, cyrkon, hafn, itr, cer, platynę i pallad oraz ich kombinacje.

Korzystnie, przygotowuje się stop będący donorem metalu zawierający aluminium i chrom w ilości mniejszej niż 30% wagowych stopu będącego donorem metalu. W modyfikacji wynalazku można przygotowywać stop będący donorem metalu zawierający aluminium i platynę w ilości mniejszej niż 64% wagowych stopu będącego donorem metalu. A jeszcze w innej przygotowuje się stop będący donorem metalu zawierający aluminium i pallad w ilości mniejszej niż 60% wagowych stopu będącego donorem metalu.

Korzystnie, przygotowuje się stop będący donorem metalu zawierający dodatek środka obniżającego temperaturę topnienia.

Dyfuzję wzajemną stopu będącego donorem metalu i chronionej powierzchni prowadzi się przez czas od około 1 do około 10 godzin. Przedmiot i stop będący donorem metalu ogrzewa się do temperatury od około 926°C (1700°F) do około 1663°C (2100°F).

Przygotowuje się stop będący donorem metalu znajdujący się w stanie stałym w temperaturze pokrywania lub przygotowuje się stop będący donorem metalu znajdujący się w stanie ciekłym w temperaturze pokrywania.

Można przygotowywać stop będący donorem metalu zawierający co najmniej dwa inne pierwiastki.

W innej odmianie wynalazku sposób wytwarzania powierzchniowej aluminiowej warstwy ochronnej na przedmiocie ze stopu na bazie niklu, w którym kształtuje się przedmiot ze stopu na bazie niklu mający wewnętrzny kanał z ujściem na zewnątrz przedmiotu i posiadający chronioną wewnętrzną powierzchnię, przygotowuje się stop będący donorem metalu zawierający aluminium i co najmniej jeden inny pierwiastek, po czym nakłada się stop będący donorem metalu na ochranianą wewnętrzną powierzchnię przedmiotu doprowadzając do kontaktu stopu będącego donorem metalu z ochranianą powierzchnią, po czym ogrzewa się przedmiot i stop będący donorem metalu do temperatury pokrywania, która jest wyższa niż około 0,7 temperatury solidusu stopu będącego donorem metalu i odpowiada temperaturze, w której stop będący donorem metalu znajduje się w postaci skondensowanej fazy kontaktującej się z ochranianą powierzchnią przedmiotu, a następnie doprowadza się do dyfuzji wzajemnej stopu będącego donorem metalu do ochranianej powierzchni przedmiotu, charakteryzuje się tym, że przed nałożeniem stopu na wewnętrzną powierzchnię przedmiotu wytwarza się pianę zawierającą stop będący donorem metalu i środek spieniający, którą następnie nakłada się na powierzchnię doprowadzając stop będący donorem metalu do kontaktu z ochranianą powierzchnią.

Korzystnie stop będący donorem metalu nakłada się także na zewnętrzną powierzchnię przedmiotu tworząc zewnętrzną warstwę ochronną na zewnętrznej powierzchni.

Niniejszy wynalazek zapewnia dogodny sposób ochrony powierzchni przedmiotów takich, jak łopatki silników turbogazowych wykonanych z nadstopów na bazie niklu. Zastosowanie jako źródła donora metalu piany zawierającej stop będący donorem metalu i środek spieniający, którą następnie nakłada się na powierzchnię doprowadzając stop będący donorem metalu do kontaktu z ochranianą powierzchnią ma znaczące zalety w porównaniu z dotychczas stosowanymi zawiesinami. W przygotowywanej pianie stop będący donorem metalu jest bardzo dokładnie rozproszony poprzez poddanie spienieniu jego mieszaniny ze środkiem spieniającym, na przykład takim jak poliuretan. Piana wtryskiwana do kanałów wewnętrznych przedmiotów, na przykład takich jak łopatki turbin, jest osadzana równomiernie na wewnętrznych powierzchniach, nie podlega spływaniu i gromadzeniu w niektórych tylko obszarach. W wyniku późniejszego ogrzewania piana opada, a rozprowadzony w niej stop meta4

PL 201 071 B1 lu jest znacznie bardziej równomiernie osadzany na chronionej powierzchni niż stop zawarty w zawiesinach osadzanych według znanych sposobów.

Wynalazek pozwala na nakładanie warstwy ochronnej na chronioną powierzchnię poprzez zmianę składu stopu w fazie skondensowanej, a nie poprzez regulowanie właściwości fazy gazowej. Wskutek tego, na powierzchnię chronioną może być nałożona dyfuzyjna warstwa ochronna aluminków, która ma korzystne właściwości uzyskane dzięki wprowadzeniu pierwiastków stopowych. Sposób może być stosowany do ochrony powierzchni zarówno wewnętrznych jak i zewnętrznych, chociaż jest szczególnie korzystny do ochrony powierzchni wewnętrznych, ponieważ trudniej jest ochraniać je powłoką i warstwami ochronnymi wskutek braku bezpośredniego dostępu do tych wewnętrznych powierzchni przy zastosowaniu innych sposobów.

Szczególną korzyścią obecnego sposobu jest to, że stopy donorowe z więcej niż dwoma pierwiastkami są łatwe do przygotowania i stosowania w przeciwieństwie do technik osadzania z fazy gazowej, gdzie występuje znaczne utrudnienie w kontrolowaniu osadzania dwóch lub więcej pierwiastków jednocześnie.

Sposób według wynalazku różni się od typowych sposobów aluminiowania wewnętrznych powierzchni, w których aluminium jest przenoszone na stosunkowo duże odległości od źródła do powierzchni poprzez fazę gazową. Źródło fazy gazowej może być oddalone od chronionej powierzchni na kilkanaście centymetrów, podczas gdy w obecnym sposobie stop będący donorem metalu w skondensowanej fazie znajduje się w bezpośrednim fizycznym kontakcie z chronioną powierzchnią. Względne prędkości przenoszenia par różnych pierwiastków, takich jak aluminium i pierwiastki stopowe, są trudne do regulowania w celu uzyskania stałego składu. W przeciwieństwie do tego, w obecnym sposobie, źródło stopu będącego donorem metalu aluminium i co najmniej jednego pierwiastka stopowego znajduje się w skondensowanej fazie w bezpośrednim fizycznym styku z chronioną powierzchnią, korzystnie w postaci ciągłej lub nieciągłej warstwy stopu będącego donorem metalu na powierzchni podłoża. Jak używa się w niniejszym opisie, „faza skondensowana” jest fazą stałą lub ciekłą lub mieszaniną faz ciekłej i stałej, ale nie parą. W większości przypadków, zasadniczo cały stop będący donorem metalu, włącznie z aluminium i pierwiastkami stopowymi, dyfunduje do chronionej powierzchni tak, że ilość wszystkich pierwiastków, które są wprowadzone z zewnętrznego źródła, jest znana z dużą dokładnością. Możliwe jest pewne przypadkowe odparowanie i ponowne osadzenie stopu będącego donorem metalu ze względu na występowanie ciśnienia par pierwiastków w temperaturze pokrywania, ale dominującym trybem ruchu pierwiastków stopu będącego donorem metalu do chronionej powierzchni jest dyfuzja w stanie stałym i/lub stanie ciekłym w stopie będącym donorem metalu i dyfuzja w stanie stałym w stopie na bazie niklu.

Temperatura pokrywania jest wyższa niż około 0,7 bezwzględnej temperatury solidusu stopu będącego donorem metalu, ale musi być na tyle wysoka, aby stop będący donorem metalu znajdował się nadal w fazie skondensowanej. Stosunek temperatury mierzony w skali bezwzględnej do temperatury solidusu stopu mierzonej w skali bezwzględnej jest czasami nazywany „temperaturą homologiczną” i w przypadku obecnego zgłoszenia temperatura pokrywania jest temperaturą stanowiącą ponad około 0,7 temperatury homologicznej. Temperatura pokrywania może przewyższać temperaturę solidusu stopu będącego donorem metalu tak, że występuje co najmniej częściowo faza ciekła. Istotne jest, że stop będący donorem metalu pozostaje przede wszystkim w fazie skondensowanej (to jest stałej, ciekłej lub mieszaninie ciekłej i stałej) w kontakcie z chronioną powierzchnią.

Ponadto, sposób według wynalazku zapewnia sposób wytwarzania powłoki aluminiowej przy użyciu zawiesiny, który jest szczególnie przydatny do pokrywania wewnętrznych powierzchni przedmiotów, takich jak wewnętrzne powierzchnie kanałów w płatach łopatek turbin gazowych. Sposób umożliwia także usuwanie nadmiaru pozostałego materiału z powierzchni po procesie nakładania powłoki.

Przedmiot wynalazku jest uwidoczniony w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia łopatkę turbiny w widoku perspektywicznym, fig. 2 - fragment przekroju wzdłużnego łopatki turbiny z fig. 1, wzdłuż linii 2-2, a fig. 3 - schemat blokowy procesu pokrywania łopatki turbiny gazowej.

Na fig. 1 przedstawiono element składowy silnika turbogazowego, taki jak łopatka 20 turbiny. Łopatka 20 turbiny jest ukształtowana z dowolnego odpowiedniego materiału, ale korzystnie z nadstopu na bazie niklu. Łopatka 20 turbiny zawiera płat 22, na który jest kierowany przepływ gazów spalinowych. (Łopatka turbiny ma podobny wygląd jak odnośny płat, ale zwykle zawiera inną konstrukcję końca do podpierania płata). Łopatka 20 turbiny jest zamontowana do tarczy wirnika turbiny (nie poPL 201 071 B1 kazana) za pomocą wczepu płetwiastego 24, który rozciąga się do dołu od płata 22 i jest sprzęgnięty w szczelinie na tarczy wirnika turbiny. Od obszaru, gdzie płat 22 jest połączony z wczepem płetwiastym 24 wystaje wzdłużnie na zewnątrz płyta 26. Przez wnętrze płata 22 przechodzi pewna liczba wewnętrznych kanałów, kończących się otworami 28 na powierzchni płata 22. Podczas pracy, przez wewnętrzne kanały jest kierowany przepływ chłodzącego powietrza w celu obniżenia temperatury płata 22. Płat 22 ma stopkę 30 w pobliżu wczepu płetwiastego 24, a na końcu przeciwnym do wczepu płetwiastego 24 ma końcówkę 32.

Fig. 2 ukazuje przekrój wzdłużny płata 22, z pokazaniem jednego z wewnętrznych kanałów 34 rozciągających się we wnętrzu płata 22. Wewnętrzny kanał 34 ma powierzchnię wewnętrzną 36, a metalowa część płata 22 ma powierzchnię zewnętrzną 38.

Na powierzchni wewnętrznej 36 kanału 34 jest warstwa ochronna 40. Warstwa ochronna 40 jest ukształtowana poprzez osadzenie będącego donorem metalu stopu aluminium z co najmniej jednym innym pierwiastkiem na ochranianą powierzchnię wewnętrzną 36, tak, że korpus łopatki 22 służy jako podłoże 42. Termin „chroniona powierzchnia” jest stosowany do wskazywania powierzchni, która albo została ochroniona albo ma być chroniona poprzez tworzenie obszaru ochronnego, ale do czasu, gdy jest ona ochroniona. Stop będący donorem metalu jest zwykle osadzany w postaci stałej lub ciekłej warstwy do styku z ochranianą powierzchnią. Tym przynajmniej jednym innym pierwiastkiem stopowym może być, na przykład chrom, cyrkon, hafn, itr, cer, platyna i pallad oraz ich mieszaniny lub inne pierwiastki, które mogą być nakładane za pomocą technik omówionych dalej. Osadzony stop będący donorem metalu dyfunduje wzajemnie z materiałem podłoża 42 tworząc warstwę ochronną 40 znajdującą się poniżej chronionej powierzchni wewnętrznej 36 płata. W większości przypadków, warstwa ochronna 40 ma skład o zawartości aluminium i co najmniej jednego innego pierwiastka ze stopu będącego donorem metalu wyższej w pobliżu ochranianej powierzchni wewnętrznej 36 i zmniejszającej się wraz ze wzrostem odległości w głąb podłoża 42 od powierzchni wewnętrznej 36 płata. Zmodyfikowana dyfuzyjna aluminkowa warstwa ochronna 40 ma grubość zwykle od około 12,7 μm do około 127 urn. Po poddaniu atmosferze utleniającej w wysokiej temperaturze, warstwa wzbogacona w aluminium na powierzchni wewnętrznej 36 utlenia się tworząc dobrze przywierającą ochronną warstwę tlenku aluminium (Al₂O₃) na powierzchni wewnętrznej 36, zapobiegając i spowalniając dalsze niszczenie wskutek utleniania. Co najmniej jeden inny pierwiastek modyfikuje i poprawia odporność na utlenianie i/lub korozję zapewnianą przez warstwę ochronną 40. Pokrywająca powłoka, taka, jak omówiona dalej nałożona na powierzchnię zewnętrzną 38 płata, nie jest stosowana na powierzchnię wewnętrzną 36, ponieważ nie są znane odpowiednie sposoby nakładania.

Powierzchnia zewnętrzna 38 płata korzystnie jest także zabezpieczona i na fig. 2 przedstawiono przykład takiej ochrony. Na powierzchni zewnętrznej 38 jest nałożona kontaktująca się z nią powłoka ochronna 44. Powłoka ochronna 44 ma warstwę ochronną 46 nałożoną i stykającą się z powierzchnią zewnętrzną 38 płata. Warstwa ochronna 46 jest korzystnie ukształtowana z dyfuzyjnych aluminków lub poprzez nałożenie kompozycji. Dyfuzyjne aluminki mogą być zwykłym dyfuzyjnym aluminkiem lub zmodyfikowanym dyfuzyjnym aluminkiem, takim jak omówione wcześniej w odniesieniu do warstwy ochronnej 40. Pokrywająca warstwa zabezpieczająca jest korzystnie typu MCrAlX. Termin „MCrAlX” jest terminem określającym w stanie techniki różne rodziny pokrywających warstw ochronnych 46, które mogą być zastosowane jako powłoki kontaktujące się z otoczeniem lub powłoki łączące. W tym i w innych wzorach M odnosi się do niklu, kobaltu, żelaza i ich kombinacji. W niektórych z tych powłok ochronnych, chrom może być pominięty. X oznacza pierwiastki takie, jak hafn, cyrkon, itr, tantal, ren, ruten, pallad, platynę, krzem, tytan, bor, węgiel i ich kombinacje. Poszczególne związki są znane w stanie techniki. Niektórymi przykładami kompozycji MCrAlX są NiAlCrZr i NiAlZr, ale wymienienie tych przykładów nie powinno być ograniczeniem. Warstwa ochronna 46 ma grubość od około 12,7 do około 254 um. Takie warstwy zabezpieczające 46 są ogólnie znane w stanie techniki.

Opcjonalnie, na warstwie ochronnej 46 jest nałożona i styka się z nią warstwa ceramiczna 48. Warstwa ceramiczna 48 jest korzystnie tlenkiem cyrkonu stabilizowanym itrem, który jest tlenkiem cyrkonu zawierającym od około 2 do około 12 procent wagowych, korzystnie od około 3 do około 8 procent wagowych, tlenku itru. Warstwa ceramiczna 48 ma grubość zwykle od około 76,2 um do około 254 um. Inne ceramiczne materiały mogą być także zastosowane. W przypadku niewystępowania warstwy ceramicznej 48, warstwa ochronna 46 jest nazywana „powłoką ochronną”. W przypadku występowania warstwy ceramicznej 48, warstwa ochronna 46 jest nazywana „powłoką łączącą”.

Na fig. 3 przedstawiono schemat realizacji obecnego sposobu. W etapie wytwarzania przedmiotu 60 dostarcza się przedmiot, w tym przypadku płat 22, na przykład łopatki 20 turbiny. Przedmiot

PL 201 071 B1 może być wytworzony dowolnym sposobem. W przypadku płata łopatki turbiny, łopatka turbiny jest kształtowana z wewnętrznymi kanałami 34 lub może być kształtowana jako pełna część, a kanały wewnętrzne mogą być kształtowana poprzez obróbkę wiórową w pełnej części, lub można zastosować sposoby łączone.

Przedmiot jest wykonywany ze stopu na bazie niklu. Jak użyto w niniejszym, termin „na bazie niklu” oznacza, że kompozycja zawiera więcej wskazanego metalu niż innych pierwiastków. Na przykład, stopy na bazie niklu mają więcej niklu niż innych pierwiastków. Stopy na bazie niklu mogą być nadstopami na bazie niklu, co oznacza, że są kompozycja, która jest wzmocniona poprzez wydzielenia fazy gamma-prim lub odpowiedniej innej. Zwykle, stopy na bazie niklu mają skład, w procentach wagowych, od około 1 do 25% chromu, do około 8% aluminium, do około 10% molibdenu, do około 12% wolframu, do około 12% tantalu, do około 5% tytanu, do około 7% renu, do około 6% rutenu, do około 4% niobu, do około 0,2% węgla, do około 0,15% boru, do około 0,05% itru, do około 1,6% hafnu, reszta nikiel i przypadkowe zanieczyszczenia.

W etapie wytwarzania stopu 62 wytwarza się stop będący donorem metalu aluminium i co najmniej jednego innego pierwiastka stopowego. Ten co najmniej jeden pierwiastek stopowy jest pierwiastkiem wybranym do polepszenia właściwości warstwy ochronnej 40 w końcowym produkcie po kolejnym obrabianiu. Przykładami takiego co najmniej jednego z najbardziej odpowiednich innych pierwiastków jest chrom, cyrkon, hafn, itr, cer, platyna i pallad oraz ich mieszaniny. Korzystnie, stop będący donorem metalu zawiera aluminium i chrom w ilości efektywnej mniejszej niż 30% wagowych stopu będącego donorem metalu, lub stop będący donorem metalu zawiera aluminium i platynę w efektywnej ilości mniejszej niż około 64% wagowych stopu będącego donorem metalu, lub stop będący donorem metalu zawiera aluminium i pallad w efektywnej ilości mniejszej niż około 60% wagowych stopu będącego donorem metalu lub stop będący donorem metalu zawiera aluminium i cyrkon w efektywnej ilości mniejszej niż około 50% wagowych stopu będącego donorem metalu lub stop będący donorem metalu zawiera aluminium i hafn w efektywnej ilości mniejszej niż około 69% wagowych stopu będącego donorem metalu lub stop będący donorem metalu zawiera aluminium i itr w efektywnej ilości mniejszej niż około 60% wagowych stopu będącego donorem metalu lub stop będący donorem metalu zawiera aluminium i cer w efektywnej ilości mniejszej niż około 40% wagowych stopu będącego donorem metalu. Jeżeli te ilości są przekroczone w każdym przypadku, temperatury homologiczne są zbyt niskie i nie są kompatybilne ze stopem podłoża na bazie niklu, co prowadzi do pogorszenia wzajemnej dyfuzji i powoduje, że na powierzchni pozostaje stop będący donorem metalu, który nie uległ dyfuzji, lub że nie zachodzi wystarczająca dyfuzja aluminium i pierwiastków stopowych do powierzchni. Bardziej korzystnie, stop będący donorem metalu zawiera aluminium i chrom w ilości od około 2 do około 30% wagowych stopu będącego donorem metalu lub stop będący donorem metalu zawiera aluminium i platynę w ilości od około 4 do około 64% wagowych stopu będącego donorem metalu lub stop będący donorem metalu zawiera aluminium i chrom w ilości od około 4 do około 60% wagowych stopu będącego donorem metalu lub stop będący donorem metalu zawiera aluminium i cyrkon w ilości od około 0,1 do około 50% wagowych stopu będącego donorem metalu lub stop będący donorem metalu zawiera aluminium i hafn w ilości od około 0,1 do około 69% wagowych stopu będącego donorem metalu lub stop będący donorem metalu zawiera aluminium i itr w ilości od około 0,1 do około 60% wagowych stopu będącego donorem metalu lub stop będący donorem metalu zawiera aluminium i cer w ilości od około 0,1 do około 40% wagowych stopu będącego donorem metalu. Jeżeli ilość dodatkowego pierwiastka w stopie będącym donorem metalu jest mniejsza niż wskazana, ilość dodatkowego pierwiastka jest tak mała, że nie ma żadnego korzystnego wpływu na właściwości warstwy ochronnej.

Stop będący donorem metalu może zawierać więcej niż jeden dodatkowy pierwiastek z utworzeniem stałego stopu będącego donorem metalu o wymaganym wieloskładnikowym składzie. Poprzez porównanie, w procesie osadzania z fazy gazowej jest bardzo trudno przenieść nawet jeden dodatkowy pierwiastek ze źródła do powłoki i zastosowanie wielu dodatkowych pierwiastków jest prawie niemożliwe ze względu na różne szybkości parowania i dyfuzji par różnych pierwiastków. Na przykład, jednym typem źródła stosowanym w aluminiowaniu z fazy gazowej jest stop aluminiowochromowy ale ciśnienie par chromu nad takim stopem jest zaniedbywalnie małe w porównaniu z ciśnieniem aluminium, wskutek czego chrom nie jest prawie przenoszony przez fazę gazową ze stopu źródłowego do osadzanej powłoki.

PL 201 071 B1

Do stopów będących donorem metalu mogą być dodane także środki obniżające temperaturę topnienia. Korzystnym środkiem obniżającym temperaturę topnienia jest krzem w ilości od około 2 do około 20% wagowych stopu będącego donorem metalu.

Stop będący donorem metalu jest korzystnie dostarczany w postaci rozdrobnionej, takiej jak stopowy proszek o wskazanym składzie. Dwa lub więcej rodzaje proszku mogą być zmieszane ze sobą tworząc stop będący donorem metalu. Na przykład, stop będący donorem metalu może być mieszaniną proszków, w których jeden typ proszku zawiera dodatkowy pierwiastek lub pierwiastki, a drugi typ proszku jest czystym aluminium lub innym stopowym proszkiem. W ten sposób można uzyskać szeroki zakres składów.

Stop będący donorem metalu jest nakładany na chronioną wewnętrzną powierzchnię 36 płata w etapie nakładania 64. Nakładanie stopu będącego donorem metalu jest korzystnie realizowane w dwóch operacjach. W etapie przenoszenia 66, stop będący donorem metalu jest przenoszony do chronionej wewnętrznej powierzchni 36 i osadzany na chronionej wewnętrznej powierzchni 36 jako ciągła lub nieciągła warstwa lub powłoka skondensowanej, to jest ciekłej i/lub stałej, ale nie gazowej lub parowej, fazy tak, że stop będący donorem metalu w skondensowanej postaci jest w kontakcie z chronioną wewnętrzną powierzchnią. W etapie nagrzewania 68, przedmiot i stop są nagrzewane do temperatury pokrywania, która jest wyższa niż 0,7 bezwzględnej temperatury solidusu stopu będącego donorem metalu, ale jest taka, że stop będący donorem metalu pozostaje w postaci skondensowanej fazy kontaktującej się z chronioną powierzchnią przedmiotu. Temperatura pokrywania musi być wyższa niż 0,7 bezwzględnej temperatury solidusu stopu będącego donorem metalu, aby osiągnąć dostatecznie dużą prędkość dyfuzji. Temperatura pokrywania nie może być na tyle wysoka, aby skondensowana faza stopu będącego donorem metalu parowała prawie całą objętością poprzez wrzenie lub sublimację, ponieważ korzyści z zastosowania dyfuzji skondensowanej fazy byłyby utracone. Przy ochronie licznych materiałów podłoża, istnieją dalsze ograniczenia nałożone na zakres temperatur pokrywania ze względów metalurgicznych lub technologicznych. W korzystnym przykładzie wykonania temperatura pokrywania jest nie większa niż około 1149°C, a korzystnie jest w zakresie od około 926°C do około 1149°C, co jest zgodne z cyklem starzenia podłoża ze stopu na bazie niklu lub lutu twardego, które mogą być użyte w pewnych zastosowaniach. Etapy 66 i 68 występują albo jednocześnie lub kolejno, przy czym etap 68 następuje po etapie 66.

Stop musi być w bezpośrednim fizycznym kontakcie z chronioną wewnętrzną powierzchnią 36 jako faza skondensowana, aby umożliwić dyfuzję aluminium i innych pierwiastków stopu będącego donorem metalu i występującego w skondensowanej fazie ze do podłoża 42. W procesach do innych zastosowań, źródło nie jest w bezpośrednim fizycznym kontakcie z powierzchnią i jest często kilka do kilkunastu centymetrów od powierzchni, tak, że osadzane pierwiastki docierają do powierzchni poprzez najpierw odparowanie ich i w fazie parowej są przenoszone do powierzchni i następnie są osadzane na powierzchni. W takim przypadku, pierwiastki stopu parują i dyfundują z różnymi prędkościami, co powoduje trudności w kontrolowaniu składu materiału osadzanego na powierzchni. Według wynalazku, dyfuzja pierwiastków ze stopu będącego donorem metalu do podłoża odbywa się poprzez stan stały lub ciekły. Prędkości dyfuzji pierwiastków w fazach stałych lub ciekłych nie są identyczne, ale powodują, że skład docierający do podłoża jest o wiele bliższy do składu stopu będącego donorem metalu niż wtedy, gdy odbywa się parowanie i przenoszenie poprzez pary różnych pierwiastków ze źródła pokrywania.

Stop będący donorem metalu w skondensowanej fazie może być przenoszony do ochranianej wewnętrznej powierzchni w etapie 66 w dowolny sposób. Zwykle, stop będący donorem metalu jest mieszany z nośnikiem i mieszaninę nakłada się na powierzchnię, która ma być ochraniana. W korzystnym przykładzie mieszanina jest w postaci piany lub zawiesiny. W przypadku piany, rozdrobniony stop będący donorem metalu miesza się ze środkiem spieniającym, takim jak poliuretan. Pieniącą się mieszaninę wtryskuje się do wewnętrznych kanałów 34. Piana opada wskutek nagrzewania i rozdrobniony stop będący donorem metalu osadza się na ochranianej wewnętrznej powierzchni 36.

W przypadku zawiesiny, rozdrobniony stop będący donorem metalu miesza się z ciekłym środkiem tworzącym zawiesinę, takim jak ciekły środek akrylowy. Mieszaninę wtryskuje się w stanie ciekłym do wewnętrznych kanałów 34 tak, aby zawiesina pokryła ochraniane wewnętrzne powierzchnie 36 i środek tworzący zawiesinę jest odparowywany i usuwany pozostawiając stop będący donorem metalu osadzony na ochranianych wewnętrznych powierzchniach 36.

W etapie dyfuzji 70, przedmiot i stop są pozostawiane w temperaturze pokrywania przez czas umożliwiający wzajemną dyfuzję stopu będącego donorem metalu na ochranianej wewnętrznej

PL 201 071 B1 powierzchni 36 i materiału podłoża. Korzystny czas etapu dyfuzji 70 w temperaturze pokrywania jest w zakresie od około 1 do około 10 godzin, wskutek czego wytwarza się warstwa ochronna 40, przedstawiona na fig. 2.

Opcjonalnie, powierzchnia do ochraniania może być czyszczona lub myta za pomocą środka czyszczącego, który usuwa tlenki i inne utrudniające dyfuzję pozostałości z powierzchni podłoża 42. Materiał czyszczący, który jest rozpuszczalny, taki jak chlorek amonu, fluorek amonu lub chlorek chromu, może być rozpuszczony w wodzie i roztwór nakłada się na powierzchnie, na przykład poprzez zanurzenie przedmiotu do roztworu i wysuszenie. W wyniku otrzymuje się suchą powłokę na powierzchni, która ma być chroniona. Materiał czyszczący, taki jak trójfluorek aluminium, korzystnie miesza się z nośnikiem i nakłada na powierzchnię.

W procedurze pokrywania powierzchni zewnętrznej 72, korzystnie ochrania się zewnętrzne powierzchnie 38. Ochronną zewnętrzną warstwę 46 najpierw nakłada się w etapie nakładania 74. Warstwa zewnętrzna może być nakładana dowolnym sposobem. Na przykład, w etapie 74 może być użyty ten sam sposób jak w etapie 64. W tym przypadku, etapy 64 i 74 mogą być prowadzone jednocześnie. W etapie 74 mogą być zastosowane inne sposoby aluminiowania, takie jak aluminiowanie z fazy gazowej, aluminiowanie w proszkach, i tym podobne. W tym przypadku, etap nakładania 74 może następować po etapie nagrzewania 68, poprzedzać go lub przebiegać równocześnie z nim.

W korzystnym przykładzie wykonania, jest nałożona zewnętrzna warstwa ochronna 46. Na zewnętrzną powierzchnię 38 płata i kontaktuje się z nią. Warstwa ochronna 46 jest korzystnie typu MCrAlX. Zewnętrzna warstwa ochronna 46 jest osadzona dowolnym sposobem, takim jak osadzanie z fazy gazowej, (na przykład poprzez rozpylanie jonowe, łuk katodowy, lub wiązkę katodową) lub termiczne natryskiwanie. Warstwa ochronna 46 ma grubość korzystnie od 12,7 um do około 254 μm, bardziej korzystnie od około 50,8 um do około 177,8 um. W tym przypadku, drugi etap nakładania 76 może następować po etapie 64, poprzedzać go lub przebiegać równocześnie z nim.

W etapie 76 nakładania warstwy ceramicznej, na warstwie ochronnej 46 jest korzystnie umieszczana warstwa zabezpieczająca, którą stanowi na przykład warstwa ceramiczna 48. Warstwa ceramiczna 48 ma grubość korzystnie od 76,2 um do 254 um, bardziej korzystnie około 12,7 um. (Fig. 2 nie jest narysowana w skali). Warstwę ceramiczną 48 korzystnie stanowi tlenek cyrkonu stabilizowany itrem, który jest tlenkiem cyrkonu zawierającym od około 2 do około 20% wagowych, korzystnie od około 3 do około 8% wagowych, tlenku itru. Mogą być zastosowane inne materiały ceramiczne. Warstwa ceramiczna 48 jest nakładana dowolną techniką, taka jak osadzanie z fazy gazowej lub natryskiwanie termiczne. Etap 76 może następować po etapie 64, poprzedzać go lub przebiegać równocześnie z nim.

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Sposób wytwarzania powierzchniowej aluminiowej warstwy ochronnej na przedmiocie ze stopu na bazie niklu, w którym kształtuje się przedmiot ze stopu na bazie niklu, przygotowuje się stop będący donorem metalu zawierający aluminium i co najmniej jeden inny pierwiastek, po czym nakłada się stop będący donorem metalu na powierzchnię przedmiotu doprowadzając do kontaktu stopu będącego donorem metalu z ochranianą powierzchnią, po czym ogrzewa się przedmiot i stop będący donorem metalu do temperatury pokrywania, która jest wyższa niż około 0,7 temperatury solidusu stopu będącego donorem metalu i odpowiada temperaturze, w której stop będący donorem metalu znajduje się w postaci skondensowanej fazy kontaktującej się z ochranianą powierzchnią przedmiotu, a następnie doprowadza się do dyfuzji wzajemnej stopu będącego donorem metalu do ochranianej powierzchni przedmiotu, znamienny tym, że przed nałożeniem stopu na wewnętrzną powierzchnię (36, 38) przedmiotu wytwarza się pianę zawierającą stop będący donorem metalu i środek spieniający, którą następnie nakłada się na powierzchnię (36, 38) doprowadzając stop będący donorem metalu do kontaktu z ochranianą powierzchnią.
2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że jako przedmiot kształtuje się element silnika turbogazowego.
3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że jako przedmiot kształtuje się łopatkę (20) silnika turbogazowego.
4. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że stop będący donorem metalu nakłada się na wewnętrzną powierzchnię (36) przedmiotu.

PL 201 071 B1
5. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że stop będący donorem metalu nakłada się na zewnętrzną powierzchnię (38) przedmiotu.
6. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że stop będący donorem metalu nakłada się na wewnętrzną powierzchnię (36) i na zewnętrzną powierzchnię (38) przedmiotu.
7. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że przygotowuje się stop będący donorem metalu zawierający aluminium i co najmniej jeden inny pierwiastek wybrany z grupy obejmującej chrom, cyrkon, hafn, itr, cer, platynę i pallad oraz ich kombinacje.
8. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że przygotowuje się stop będący donorem metalu zawierający aluminium i chrom w ilości mniejszej niż 30% wagowych stopu będącego donorem metalu.
9. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że przygotowuje się stop będący donorem metalu zawierający aluminium i platynę w ilości mniejszej niż 64% wagowych stopu będącego donorem metalu.
10. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że przygotowuje się stop będący donorem metalu zawierający aluminium i pallad w ilości mniejszej niż 60% wagowych stopu będącego donorem metalu.
11. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że przygotowuje się stop będący donorem metalu zawierający dodatek środka obniżającego temperaturę topnienia.
12. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że dyfuzję wzajemną stopu będącego donorem metalu i chronionej powierzchni prowadzi się przez czas od około 1 do około 10 godzin.
13. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że przedmiot i stop będący donorem metalu ogrzewa się do temperatury od około 926°C (1700°F) do około 1663°C (2100°F).
14. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że przygotowuje się stop będący donorem metalu znajdujący się w stanie stałym w temperaturze pokrywania.
15. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że przygotowuje się stop będący donorem metalu znajdujący się w stanie ciekłym w temperaturze pokrywania.
16. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że przygotowuje się stop będący donorem metalu zawierający co najmniej dwa inne pierwiastki.
17. Sposób wytwarzania powierzchniowej aluminiowej warstwy ochronnej na przedmiocie ze stopu na bazie niklu, w którym kształtuje się przedmiot ze stopu na bazie niklu mający wewnętrzny kanał z ujściem na zewnątrz przedmiotu i posiadający chronioną wewnętrzną powierzchnię, przygotowuje się stop będący donorem metalu zawierający aluminium i co najmniej jeden inny pierwiastek, po czym nakłada się stop będący donorem metalu na ochranianą wewnętrzną powierzchnię przedmiotu, doprowadzając do kontaktu stopu będącego donorem metalu z ochranianą powierzchnią, po czym ogrzewa się przedmiot i stop będący donorem metalu do temperatury pokrywania, która jest wyższa niż około 0,7 temperatury solidusu stopu będącego donorem metalu i odpowiada temperaturze, w której stop będący donorem metalu znajduje się w postaci skondensowanej fazy kontaktującej się z ochranianą powierzchnią przedmiotu, a następnie doprowadza się do dyfuzji wzajemnej stopu będącego donorem metalu do ochranianej powierzchni przedmiotu, znamienny tym, że przed nałożeniem stopu na wewnętrzną powierzchnię (36, 38) przedmiotu wytwarza się pianę zawierającą stop będący donorem metalu i środek spieniający, którą następnie nakłada się na powierzchnię (36, 38) doprowadzając stop będący donorem metalu do kontaktu z ochranianą powierzchnią.
18. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że stop będący donorem metalu nakłada się także na zewnętrzną powierzchnię (38) przedmiotu tworząc zewnętrzną warstwę ochronną (44) na zewnętrznej powierzchni (38).