PL230311B1 - Modyfikowana dyfuzyjna warstwa aluminidkowa - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest modyfikowana dyfuzyjna warstwa aluminidkowa stosowana do ochrony powierzchni, zwłaszcza łopatek turbin gazowych i lotniczych, przed gazową korozją w wysokich temperaturach.

Znanym od wielu lat sposobem ochrony powierzchni łopatek turbin gazowych i lotniczych przed korozją gazową jest wytworzenie dyfuzyjnej warstwy aluminidkowej. Z licznych patentów, między innymi takich jak „Method for applying aluminide coatings to superalloys”, patent EP 0267143 B1, United Technologies, EP 1 927 672 B1, „Diffusion aluminide coating proces”, Hitachi, EP2182092, „A method of repairing an aluminide coating on an article”, Rolls Royce pic, EP1445346, „Aluminide coating of gas turbinę engine blade”, General Electric i inne, znane i stosowane są metody aluminiowania w wyniku których tworzenie się warstwy polega na reakcji pomiędzy halogenkiem zawierającym aluminium, a materiałem podłoża - żarowytrzymałym nadstopem niklu lub kobaltu. Na skutek dyfuzji wzajemnej aluminium z fazy gazowej i niklu z materiału podłoża tworzą się zgodnie z układem Ni-AI, fazy takie, jak na przykład 8-Ni2Ab, β-NiAI co wynika z publikacji Gowarda G.W. i Boonego D.H., Oxidation of Metals Met. 3 (1971) 475-495. Ze względu na rosnące wymagania przemysłu lotniczego prowadzone są badania nad modyfikacją dyfuzyjnych warstw aluminidkowych innymi pierwiastkami takimi jak platyna, pallad, hafn i cyrkon.

Z patentów EP1795623, „Coating process of an article with modified platinum aluminide and component”, Sulzer Metco AG, „Platinum aluminide coating and metod thereof, Honeywell International Inc., EP1191122, „Modified platinum aluminide diffusion coating and CVD coating method”, Howmet Research Corporation (a Delaware Corporation), EP 1008672, „Platinum modified diffusion aluminide bond coat for a thermal barrier coating system”, General Electric, znana jest modyfikowana platyną dyfuzyjna warstwa aluminidkowa. Proces jej wytwarzania polega na galwanicznym osadzaniu warstwy platyny o grubości 1-12 mikrometrów, a następnie aluminiowaniu różnymi metodami. Wytworzona warstwa zawiera w strefie zewnętrznej fazę Pt Al 2 i/lub roztwór stały (Ni,Pt)A1. Ze względu na wysokie koszty zakupu platyny poszukuje się pierwiastków tańszych od niej zapewniających co najmniej równoważną żaroodporność warstwy aluminidkowej. Znana jest również modyfikacja warstwy aluminidkowej modyfikowanej jednocześnie platyną i krzemem z patentów EP0748394, „Platinum enriched, silicon-modified corrosion resistant aluminide coating”, Sermatech International Inc, EP0491414, „Method of forming platinum-silicon-enriched diffused aluminide coating on a superalloy substrate”, General Motors oraz platyną i itrem co z kolei jest przedmiotem patentu EP2118343, „Method of forming yttrium-modified platinum aluminide diffusion coating”, Honeywell International Inc. Poza tym jednym z tych pierwiastków które mogą stanowić zamiennik platyny jest pallad. Informacje o jego właściwościach oraz metodach modyfikacji przy jego zastosowaniu warstwy aluminidkowej pochodzą z patentów firm Walbar EP0654542, „lmproved platinum group silicide modified aluminide coating process and products” oraz Howmet-US 7,901,788 B2 „CVD condeposition of A1 and one or morę reactive (gettering) elements to form protective aluminide coating”.

Okazuje się, że można uzyskać znacznie lepsze efekty odnośnie walorów warstwy aluminidkowej, jak również ekonomiczne poprzez całkowite zastąpienie platyny do jej modyfikacji palladem w połączeniu z równoczesną modyfikacją tej warstwy cyrkonem.

Modyfikowana dyfuzyjna warstwa aluminidkowa zgodna z wynalazkiem, charakteryzuje się tym, że jej zewnętrzna strefa złożona jest ze stałego roztworu (Ni, Pd)A1, zawiera do 20% at. Palladu i wydzieleń zawierających cyrkon w ilości 0,1 do 6% at.

Pallad oraz cyrkon mają pozytywny, synergiczny wpływ na odporność na utlenianie dyfuzyjnej warstwy aluminidkowej. Pallad podobnie jak platyna stabilizuje warstwę aluminidkową i ogranicza dyfuzję odrdzeniową pierwiastków wysokotopliwych takich jak chromu, niobu, molibdenu, wolframu i tantalu.

Ogranicza on tworzenie się kruchych i niestabilnych spineli typu (Ni,Cr,Co,Ti)Al20₄ i tlenku NiO. Cyrkon, podobnie jak hafn i itr, z kolei zwiększa trwałość warstwy na osnowie stałego roztworu (Ni, Pd)AL Na powierzchni warstwy aluminidkowej tworzą się tlenki ZrO2 zwiększające przyczepność warstwy tlenku (a-AbOs do podłoża - ziaren fazy β-NiAI. Cyrkon spowalnia wzrost strefy tlenków, ogranicza pękanie i kruchość warstwy polikrystalicznego tlenku AI2O3 - zwiększa jego wytrzymałość na pełzanie, powoduje zmniejszenie naprężeń rozciągających odpowiedzialnych za łuszczenie i odpadanie strefy tlenków. Ogranicza również tworzenie się porowatości na granicy pomiędzy warstwą aluminidkową, a warstwą tlenku AI2O3. Poza tym cyrkon zwiększa granicę plastyczności fazy β-NiAI,

PL 230 311 Β1 oraz ogranicza jej skłonność do przemiany martenzytycznej, hamuje poślizg wzdłuż granic ziarn warstwa p-NiAI(Zr) pozostaje niezdeformowana.

Zastąpienie platyny tańszym ponad 30% palladem ograniczy koszty produkcji silników lotniczych. Galwaniczne osadzanie palladu może następować na istniejących liniach do platynowania. Wymagana jest tylko zmiana używanych soli platyny na sole palladu oraz modyfikacje sposobu przygotowania powierzchni. Aluminiowanie prowadzi się na istniejących i dostępnych komercyjnie urządzeniach.

Modyfikowaną dyfuzyjną warstwę aluminidkową będącą przedmiotem wynalazku przedstawiono w schematycznym ujęciu na rysunku.

Jak uwidoczniono na rysunku warstwa ta w górnej strefie 1 złożona jest ze stałego roztworu (Ni, Pd)AI, zawiera 20% at. palladu. W dolnej warstwie tej strefy usytuowane są wydzielenia 2 zawierające cyrkon w ilości 4% at.

Wymienioną warstwę wytworzono dwuetapowo z zastosowaniem procesu galwanicznego osadzania palladu oraz aluminiowania metodą chemicznego osadzania z fazy gazowej z jednoczesnym wprowadzaniem cyrkonu.

Jak wyżej podano pallad osadzono na powierzchniach łopatek, nie uwidocznionych na rysunku, wykonanych z nadstopów niklu typu MAR M247 w procesie elektrochemicznym, uzyskując grubość warstwy 10 mikrometrów. W celu usunięcia gazów oraz wytworzenia faz z układu Ni-Pd przeprowadzono dodatkowo wyżarzanie dyfuzyjne w temperaturze 1000°C w próżni (1-100 Pa) w czasie 8 godzin.

W drugim etapie przeprowadzono aluminiowanie powierzchni z warstwą palladu metodą chemicznego osadzania z fazy gazowej. Chlorek aluminium tworzy się w wyniku przepuszczania chlorowodoru przez granule czystego aluminium - 0,1 do 2 NLPM (litrów normalnych na minutę), z kolei chlorek cyrkonu powstaje 95 w wyniku przepuszczania chlorowodoru przez granule cyrkonu - 0,1 do 0,5 NLPM. W tym procesie cyrkonowanie prowadzi się jednocześnie z aluminiowaniem. Temperatura procesu w tym etapie wynosi 1000°C a czas 2 do 24 godzin w zależności od wymaganej grubości warstwy.

Claims (1)

1. Zastrzeżenie patentowe

   1. Modyfikowana dyfuzyjna warstwa aluminidkowa znamienna tym, że jej zewnętrzna strefa (1) złożona jest ze stałego roztworu (Ni, Pd)AI, zawiera do 20% at. palladu i wydzieleń (2) zawierających cyrkon w ilości 0,1 do 6% at.