NO812605L - Fremgangsmaate ved paafoering av et belegg paa et substrat - Google Patents

Description

Oppfinnelsens bakgrunn

Superlegeringers overflatestabilitet er et vesentlig problem

for avanserte industrigassturbiner. Stert korroderende om-givelser dannes ved forbrenningen av tunge brenseloljer, og når dette kombineres, med de høyere fyringstemperaturer og lengre vedlikeholdsintervaller, foreligger det meget strenge , begrensninger i materialvalget. En løsning av overflate-stabilitetsproblemet omfatter påføring av en oxydasjons- og sterkt korrosjonsfast platecladdinglegering på et høyfast substrat. Et betydelig fremskritt er blitt gjort ved ut-viklingen av metoder for diffusjonsbinding av belegg til slike substrater. For eksempel fremsettes i USA patent-

skrift 3928901 en metode hvor platebelegningsmaterialet kald-presses isostatisk for å danne en tett hud over substratet. Beltran og medarbeidere angir en prosess hvor belegget på-

føres, rommet mellom belegget og substratet evakueres, alle sømmer vakuumslagloddes, og derefter blir montasjen diffu-sjonsbundet i en autoklav under anvendelse av et gassformig medium og forhøyet temperatur og trykk, ifølge US patent-

skrift 3904101. I US patentskrift 3962939 angis en fremgangsmåte hvor et platebelegg og substrat som på forhånd er blitt montert, maskeres ved alle sømmer, omgis av glassbiter og derefter varmdiffusjonsbindes for å smelte glasset.og sikre en isostatisk spenningstilstand.

De for tiden anvendte claddingprosesser omfatter et forholdsvis stort antall trinn, hvorav enkelte er sterkt arbeidskraftkrevende og derfor kostbare. Metodene er også vanskelige å anvende i forbindelse med de mer komplekse former, som f iervingemunnstykke.segmenter. Ved enkelte claddingprosesser blir lavtsmeltende, eutektiske faser til-

bake efter claddingen som er særpregede ved at de er sprøe ved lave temperaturer. Inneslutninger av oxyder og andre materialer ved bindingslinjen mellom cladding og substrat kan.også være tilstede.

Det tas ved oppfinnelsen sikte på å tilveiebringe en

ny fremgangsmåte for diffusjonsbinding av et platebelegnings-materiale på deler med kompleks form, hvor flere av de tid-ligere anvendte hovedtrinn elimineres, mens det samtidig blir

mulig ved cladding å påføre belegg på forskjellige sub-stratformer på en lett og effektiv måte, og å tilveiebringe således fremstilte gjenstander.-

Oppsummering av oppfinnelsen

Oppfinnelsen angår en fremgangsmåte ved diffusjonsbinding av platebelegningsmaterialer på substrater, og de således fremstilte belagte substrater. Fremgangsmåten omfatter nærmere bestemt belegning av minst én av beleggets og substratets fasadeoverflater med bor, montering av belegningsmaterialet på gjenstanden, og utsettelse av den erholdte montasje for en tids- og temperatursyklus som er tilstrekkelig til å bevirke at en væskesone dannes mellom belegningsmaterialets og substratets fasadeoverflater, og for en tids-temperatur-trykksyklus ved varmeisostatisk pressing (HIP) som er tilstrekkelig til fullstendig å binde belegget til substratet.

Beskrivelse av oppfinnelsen

Den foreliggende fremgangsmåte kan anvendes for frem-stilling av gassturbinskovler, flervingemunnstykkesegmenter hvor formene er vanskelige å lage, og visse trinn av tur-bindeler for varmgassbaner med ultrahøy temperatur etc.

r

Slike deler omfatter et ved cladding belagt substrat med egnet form. Substratet er et metallstøpestykke, og selv om den foreliggende oppfinnelse gjelder alle typer av metallstøpestykker, er den spesielt anvendbar i forbindelse med støpestykker fremstilt med de sterkere legeringer som er. basert på nikkel, kobolt eller jern og som innen indu-strien er kjent som superlegeringer. Fremstillingen av selve støpestykket er vanlig og utgjør ikke en del av denne oppfinnelse. Et hvilket som helst støpestykke eller be-leggmateriale hvis overflate vil motta et borbelegg og som også er istand til å akseptere sveising, som kondensator-utladningssveising, kan anvendes.

De foretrukne bélegningsmaterialer .er nikkel-kromlegeringer, som de som selges, under betegnelsene IN-671

og IN-617. Disse nikkel-kromlegeringer. består i det vesentlige av 50-80 vekt% nikkel og 20-50 vekt% krom, for-

trinnsvis av 50 vekt% nikkel og 50 vekt% krom. De mer komplekse legeringer inneholder en lang rekke elementer,

og IN-617 er typisk for disse og inneholder 22 vekt% krom,

1 vekt% aluminium, 2,4% kobolt, 9 vekt% molybden, 0,003

vekt% bor og 0,07 vekt% carbon, rest nikkel. Andre beleg-ningsmaterialer som kan anvendes, omfatter Hastelloy-X, FeCrAlY (2541), HS 188 og 304 rustfritt stål etc. Belegningsmaterialet eller substratmaterialet må kunne belegges med bor og også akseptere sveising, som fra et kondensator-utladningssveiseapparat. Som et eksempel kan det nevnes at en typisk beleggtykkelse kan variere fra 0,127 til 1, 270 mm, fortrinnsvis fra 0,-254 til 0, 762 mm. Imidlertid kan andre tykkelser også anvendes.

Ved den foreliggende fremgangsmåte belegges fortrinnsvis én av fasadeoverflåtene av platebelegningsmaterialet og substratet, men eventuelt begge, med bor ved hjelp av en hvilken som helst egnet vanlig metode. Borpåføringen kan utføres før eller efter at platebelegningsmaterialet er blitt formet dersom belegningsmaterialets fasadeover-flate skal belegges.. Derefter blir platebelegningsmaterialet og substratet ført sammen på vanlig måte, dvs. belegnings-materialepreformen med egnét sammensetning og form fremstilles ved hjelp av egnede midler, som kjemisk etsing, avfetting, avsliping eller nikkelplettering, og .preformen anbringes over substratet og sømmene punktsveises eller motstandssømsveises på en slik måte at det fås en så liten spalte som mulig mellom sømmene, I alminnelighet kan en spalte på under 0,0254 mm oppnås. Boret virker som et smeltepunktsnedsettende middel for det belagte materiales overflate, slik at den borpåførte gjenstand har en smeltetemperatur for sin hovedmasse som er høyere enn for den bor-påførte overflate. Når montasjen utsettes for en egnet kombinasjon av forhøyet temperatur og forlenget tid under vakuum, smelter overflaten under dannelse av en væskesone, fulgt av en hurtig isoterm størkning av væskefasen på grunn av. at boret har en meget høy diffusjonshastighet på grunn av dets lille atomstørrelse (atomradius 0,80 Å) sammenlignet med andre smeltepunktsnedsettende midler, som silicium eller fosfor. Resultatet av varmebehandlingen og diffu-sjonen er en gasstett forsegling rundt belegningsmaterialets sømmer. Denne gasstette forsegling gjør utvikling av en trykkforskjell mulig mellom belegningsmaterialets utvendige og. innvendige overflater under den påfølgende varmeiso-statiske pressing (HIP). Derefter utsettes det diffusjons-bundne, belagte substrat for varmeisostatisk pressing, i alminnelighet ved på forhånd valgte temperaturer av opp til 1232°C og ved på forhånd valgte trykk av opp til 2109 kg/cm<2>i en tid av 0,5-16 timer, slik at det ikke finner sted noen vesentlig nedbrytning av substratets mekaniske egenskaper efter behandlingen, men tilstrekkelig til å bevirke at belegningsmaterialet vil deformeres rundt substratet og fullstendig bindes til dette. Som regel utføres HIP-syklusen ved en temperatur av 982-1232°C.

Den foreliggende oppfinnelse er særpreget ved en nøy-aktig kontroll med væskefasen, unngåelse av lavtsmeltende eutektiske faser som typisk er sprø ved lave temperaturer, og- ved nedbrytning eller oppløsning av oxyder og andre inneslutninger ved bindingslinjen mellom belegg og substrat.

Kontroll med væskefasen oppnås ved å regulere den bormengde som belegges på belegningsmaterialet og/eller substratet. En regulering av bormengden regulerer den væske-fasemengde som er tilstede ved den spesielle fasekjemi som gjør seg gjeldende ved diffusjonsbindingsbelegning. Tilstrekkelig bor anvendes til å danne tilstrekkelig med væske til å få en effektiv gasstett forsegling mellom belegget og substratet, men ikke mer enn hva som er nødvendig blir an-vendt, fordi større bormengder ville kunne være uheldige for substratets og beleggets egenskaper. Boret anvendes i alminnelighet i en tilstrekkelig mengde til å gi en nominell væskefase med en tykkelse av 0,0050-0,102 mm, fortrinnsvis 0,0152-0,051 mm. Den nødvendige bormengde er av-hengig av de spesielle borpåførte materialers kjemiske sammensetning. For eksempel bør den valgte bormengde være tilstrekkelig til å danne en flytende forsegling mellom be-leggenes sømmer samtidig som den tid/temperatur som er nød-vendig for å diffundere bort borrike faser, blir så liten

som mulig.

Unngåelsen av lavtsmeltende eutek.tiske faser oppnås

ved anvendelse av bor som det eneste smeltepunktsnedsettende middel og ved tids-temperatur- og trykksyklusene som gjør at boret diffunderer-inn i.belegget og substratet. Som på-pekt ovenfor gjør anvendelsen av bor alene at den isoterme størkning av væskefasen finner sted under diffusjonsvarmebehandlingen og HIP-syklusen på grunn av at bor har .en usedvanlig hurtig diffusjonshastighet på grunn av dets lille atomstørrelse sammenlignet med andre smeltepunktsnedsettende midler. For diffusjonsvarmebehandlingen anvendes i alminnelighet temperaturer innen området 1037-1260°C, fortrinnsvis 1121-1177°C, i en tid av 0,05-20 timer, fortrinnsvis 0,1-4 timer..

Nedbrytning av oxydér og andre inneslutninger ved grenseflaten mellom belegget og substratet oppnås på grunn av nærværet av den borholdige væskefase over hele grenseflateområdet mellom belegget og substratet. Ved andre claddingprosesser er en væskefase ikke tilstede over dette samlede område. Det antas at nærværet av væskefasen ved grenseflaten bryter ned inneslutningene som kan være tilstede på overflaten enten av belegget eller av substratet,'ved at det metall smeltes som umiddelbart omgir inneslutningene. Des-suten hemmer væskefilmen oxydasjon av overflaten på grunn av at substratet er dekket med en væskefilm med elementer med lav oxydstabilitet.

Oppfinnelsen er nærmere beskrevet i forbindelse med

de nedenstående eksempler. I beskrivelsen og i patent-kravene er alle deler og prosenter basert på vekt og alle temperaturer angitt i °C dersom intet annet er angitt.

Eksempel 1

En plate av IN-671 som belegningsmateriale (50% nikkel, 50% krom) med en tykkelse av 0,254 0,025 mm grovskjæres til en størrelse som er nødvendig for kaldformning til en handelstilgjengelig første trinns turbinskovl med vingeform. Preformen av IN-671.blir derefter kaldformet i en rekke progressive dyser inntil den ligger innenfor nær overensstemmelse med omhyllingen (typisk 0,25-1,01 mm) for den ønskede vingeform. Det formede belegg blir derefter sveiset sammen under dannelse av en vingeformet gjenstand som vil kunne passes over den handelstilgjengelige skovl.

Det sveisede belegg av IN-671 belegges med 0,0775-0/i 0930 g/dm 2 diffundert bor bare på den innvendige overflate. Efter ultralydrensing og avfetting av det belagte belegg og skovlen i freon monteres belegget på førstetrinns-skovlen og kondensatorutladningssveises til skovlen med sveisesømmer i liten avstand fra "hverandre.

Skovlen og belegget anbringes i en vakuumovn som evakueres til ca. 10 torr og oppvarmes til 1135°C - 14°C

i 10 minutter. Ved syklusen fås en væskesone på 0,0050-0,0508 mm på den med bor belagte beleggoverflate som forsegler belegget til skovlen.

Efter avkjøling av ovnen fjernes skovlen og undersøkes visuelt for å fastslå om det finnes spalter rundt skjøten mellom belegget og skovlen. Delen blir undersøkt ved å settes under et trykk til 21 kg/cm 2i en heliumtrykkbe-holder, med hurtig opphevelse av trykket og fjernelse av skovlen fra trykkbeholderen og neddykking av skovlen i methanol. Fraværet av bobler antyder en lekkasjetett forsegling mellom belegget og skovlen.

Skovlen blir derefter anbragt i en beholder for isostatisk varmpressing og oppvarmet til 1093°C under et argontrykk av 1055 kg/cm og holdes under disse betingelser i 1-3 timer. HIP-syklusen stenger eventuell porøsitet som er igjen mellom belegget og skovlen og fullstendiggjør dif-funderingen av boret bort fra grenseflaten mellom belegget og skovlen, hvorved grenseflateområdets smeltetemperatur øker. Skovlen blir derefter fjernet fra autoklaven og under-søkt med ultralyd for å påvise eventuelle defekter i bind-ingen mellom belegget og skovlen.

Til slutt blir den belagte skovl aldret i 24 timer ved 843°C for å- utvikle superlegeringssubstratets mekaniske egenskaper, og skovlen blir lett slipt på en beltesandslipe-maskih for å viske bort beleggsveisesømmen og glatte ut eventuelle rynker i det bundne belegg.

Eksempel 2

En 0,76 - 0,051 mm tykk plate av belegningsmaterialet

S-57 (25% Cr, 3% Al, 5% Ta, 10% Ni, 0,2% Y, rest Co) grovskjæres til en størrelse som er nødvendig for kaldformning til et handelstilgjengelig førstetrinns enkeltbladmunn-

stykke. Tre stykker er nødvendige, ett for vingeseksjonen og ett hver for de to munnstykkeendevegger. De tre pre-

former blir derefter kaldformet på en rekke progressive dyser inntil de ligger innenfor nær overensstemmelse med omhyllingen for deønskede vinge- og endeveggformer. Tilstrekkelig materiale efterlates på hvert stykke slik at en overlappssøm kan lages mellom vinge- og endeveggbelegriings-stykkene.

De formede belegningsstykker blir derefter belagt med 0,0775-0,0930 g/dm 2 diffundert bor bare på den innvendige overflate. Efter rensing med ultralyd og avfetting i freon av de belagte belegningsstykker og munnstykke blir belegningsstykkene montert og kondensatorutladningenssveiset med tett påførte sveisesømmer til munnstykket og til hverandre

Munnstykket og belegget anbringes derefter i en vakuum-

— 4 o + ovn og varmebehandles ved et vakuum av 10 torr ved 114 9 C-14°C i 1 time. Ved syklusen fås en 0,0050-0,0508 mm væske-

sohe på den med bor belagte beleggoverflate og som forsegler beleggstykkene til hverandre og til munnstykket.

Munnstykket undersøkes visuelt for å fastslå om det

finnes spalter rundt alle beleggskjøter og også ved néddykk-

ing i methanol ved den metode som er beskrevet i eksempel 1.

Munnstykket utsettes derefter for HIP ved 1121°C i 1-3

timer under et argontrykk av 10 55 kg/cm 2.

Claims (9)

1. Fremgangsmåte ved påføring av et belegg på et substrat, karakterisert ved at minst, én av belegningsmaterialets og substratets fasadeoverflater belegges med bor, belegningsmaterialet monteres på substratet, og den erholdte montasje utsettes for en tids- og tempera tursyklus. som. er tilstrekkelig til å bevirke at en væskesone dannes mellom de mot hverandre vendte overflater av belegningsmaterialet og substratet.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at bor påføres i en tilstrekkelig mengde til at det dannes en nominell- væskesone med en tykkelse av 0,005-0,102 mm.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at bor anvendes som det eneste smeltepunktsnedsettende middel for overflatene av belegget og substratet.

4. Fremgangsmåte ifølge krav 1-3, karakterisert ved at boret påføres slik at hele grenseflateområdet mellom belegget og substratet i sammenføyet tilstand blir belagt.

5. Fremgangsmåte ifølge krav 1-4, karakterisert ved at det anvendes en tids-og temperatursyklus i 0,05-20 timer ved en temperatur av 1037-1260°C.

6. Fremgangsmåte ifølge krav 5, karakterisert ved at det anvendes en tid av 0,1-4 timer og en temperatur av 1121-1177° C.

7. Fremgangsmåte ifølge krav 1-6, karakterisert ved at montasjen efter at den har vært utsatt for tids-temperatursyklusen, utsettes for isostatisk varmpressing.

8. Fremgangsmåte ifølge krav 1-7, karakterisert ved at belegningsmaterialet og substratet begge utgjøres av superlegeringer.

9. Fremgangsmåte ifølge krav 8, karakterisert ved at belegningsmaterialet utgjøres av en nikkel-kromlegering.