DE19856901A1

DE19856901A1 - Verfahren zum Beschichten von Hohlkörpern

Info

Publication number: DE19856901A1
Application number: DE19856901A
Authority: DE
Inventors: Horst Pillhoefer; Andreas Fritsch; Thomas Dautl; Guido Schesny
Original assignee: MTU Motoren und Turbinen Union Muenchen GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 1998-12-10
Filing date: 1998-12-10
Publication date: 2000-06-15
Anticipated expiration: 2018-12-11
Also published as: US6887519B1; EP1144708B1; WO2000034547A3; DE19856901C2; EP1144708A3; ES2192415T3; EP1144708A2; DE59904502D1; WO2000034547A2

Abstract

Ein Verfahren zum Beschichten von Hohlkörpern, bei dem eine Pulvermischung aus einem Metallspenderpulver, einem inerten Füllpulver und einem Aktivatorpulver aus einem Metallhalogenid bereitgestellt wird, die Pulvermischung mit einer zu beschichtenden, inneren Oberfläche des Hohlkörpers in Kontakt gebracht und erwärmt wird, wobei zur Erhöhung der Innenschichtdicken das inerte Füllpulver mit einer Partikelgröße, die ungefähr gleich oder größer als die Partikelgröße des Metallspenderpulvers ist, bereitgestellt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beschichten von Hohlkörpern, bei dem eine Pulvermischung aus einem Metallspenderpulver, einem inerten Füllpulver und einem Aktivatorpulver bereitgestellt wird, die Pulvermischung mit einer zu beschichtenden inneren Oberfläche des Körpers, z. B. aus einer Ni-, Co- oder Fe-Basislegierung, in Kontakt gebracht und erwärmt wird.

Zu den bekannten Verfahren zum Diffusionsbeschichten von Bauteilen aus warmfe sten Legierungen, wie Ni-, Co- oder Fe-Basislegierungen, gehören die sog. Pulver packverfahren. Ein derartiges Verfahren wird in der US 3,667,985 offenbart, bei dem die zu beschichtenden Bauteiloberflächen mit einem Spenderpulver aus Titan und Aluminium, dem ein inertes Füllmaterial sowie ein Halogensalz-Aktivator zugemischt wird, in Kontakt gebracht und erhitzt wird. Aus der US 3,958,047 ist ein Pulverpack verfahren bekannt, bei dem das metallische Bauteil mit einem Aluminium und Chrom enthaltenden Spenderpulver in Kontakt gebracht und unter Erhitzen diffusionsbe schichtet wird.

Diese Verfahren eignen sich insbesondere zur Beschichtung der Außenoberflächen metallischer Bauteile, wobei Schichtdicken zwischen 50 und 100 µm erzielt werden. Beim Beschichten von inneren Oberflächen treten jedoch verfahrensimmanente Nachteile auf, so daß die erreichbaren Innenschichtdicken bei relativ komplizierten Geometrien mit engen Spalten, Winkeln oder Hinterschneidungen begrenzt und un zureichend sind und im allgemeinen unter 30 µm liegen. Problematisch ist dabei, daß die Spenderpulver lediglich eine geringe Fließfähigkeit besitzen und die Hohl räume unvollständig füllen. Zudem läßt sich das Spenderpulver nach dem Beschich ten nur schwer und nicht rückstandsfrei aus den Hohlräumen entfernen und sintert an den Oberflächen an.

Die genannten Nachteile der Pulverpackverfahren lassen sich zum Teil durch sog. Gasdiffusionsbeschichtungsverfahren umgehen. Ein solches Verfahren ist aus der US 4,148,275 bekannt, bei dem eine z. B. Aluminium enthaltende Pulvermischung in einer ersten Kammer und die zu beschichtenden, metallischen Bauteile in einer zwei ten Kammer eines Behälters angeordnet sind. Das Beschichtungsgas wird durch Erhitzen des Pulvers erzeugt und lagert sich unter Einsatz eines Trägergases an den äußeren und inneren Oberflächen der zu beschichtenden Bauteile ab. Die Gasdiffusi onsbeschichtungsverfahren besitzen jedoch den Nachteil, daß die Vorrichtungen zur Durchführung des Verfahrens, wie z. B. zur Zwangsführung der Beschichtungsgase, im Vergleich zu jenen für die Pulverpackverfahren komplex und teuer sind. Darüber hinaus sind auch hier die erreichbaren Innenschichtdicken begrenzt, weil das Be schichtungsgas bzw. das Spendermetallgas auf seinem Weg durch die Hohlräume des Bauteils verarmt und ein Schichtdickengradient über die Länge des Hohlraums entsteht. Weil die Schichtdicke der Außenbeschichtung verfahrensbedingt über jener der Innenbeschichtung liegt, ist die Lebensdauer der Bauteile infolge der dünneren Innenbeschichtung begrenzt.

Das der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Problem besteht darin, ein Pul verpackverfahren der eingangs beschriebenen Gattung so zu verbessern, daß die Schichtdicken der Innenbeschichtung auch bei Hohlräumen mit verhältnismäßig komplizierten Geometrien ausreichend groß sind.

Die Lösung dieses Problems ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß das inerte Füllpulver mit einer durchschnittlichen Partikelgröße, die ungefähr gleich oder größer als die Partikelgröße des Metallspenderpulvers ist, bereitgestellt wird. Der Vorteil besteht darin, daß sich bei einer derartigen Wahl der Partikelgrößen die spezifische Dichte erhöhen läßt, ohne daß ein Verklumpen der Pulvermischung, z. B. aufgrund eines zu hohen Anteils des Metallspenderpulvers, auftritt. Es lassen sich Hohlkörper, wie Leit- und Laufschaufeln von Gasturbinen aus warmfesten Ni-, Co- oder Fe-Basislegierungen, beschichten.

In einer bevorzugten Ausgestaltung wird das Metallspenderpulver und das inerte Füllpulver mit einer durchschnittlichen Partikelgröße von größer als 40 µm bereitge stellt, wodurch eine gute Permeation des Beschichtungsgases durch die Schüttung der Pulvermischung erfolgen kann.

Bevorzugt wird die Pulvermischung mit einem Anteil des Metallspenderpulvers von 20 Gew.-% bereitgestellt, um das Verklumpen der Pulvermischung zu vermeiden und eine gute Permeation durch die Schüttung zu gewährleisten.

Es ist des weiteren zweckmäßig, daß als Metallspenderpulver eine Legierung mit einem Anteil des Spendermetalls von 30 bis 70 Gew.-% bereitgestellt wird, damit aufgrund des hohen Spendermetallanteils eine ausreichend starke Schichtdicke ge währleistet ist.

Es kann vorteilhaft sein, daß als Metallspenderpulver eine Mischung aus einer Legie rung mit einem Spendermetallanteil von 40 bis 70 Gew.-% und einer Legierung mit einem Spendermetallanteil von 30 bis 50 Gew.-% bereitgestellt wird, so daß die Ver armung des Metallspenders in den beiden Legierungen schrittweise, d. h. mit zeitli cher Verzögerung, erfolgt.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Beispielen näher erläutert.

In einem ersten Beispiel ist der Hohlkörper einer hohle Turbinen-Leitschaufel einer Gasturbine, die mit einer Oxidations- und Korrosionsschutzschicht versehen wird. Der Hohlraum besitzt eine Länge von etwa 160 mm. Seine inneren Oberflächen sind zwischen 2 und 6 mm beabstandet und laufen an zwei gegenüberliegenden Endab schnitten zusammen. Zur Beschichtung der inneren Oberflächen der Leitschaufeln wird eine Pulvermischung aus etwa 20 Gew.-% Metallspenderpulver und etwa 80- Gew.-% inertem Füllpulver bereitgestellt. Als Metallspenderpulver wird AlCr und als inertes Füllpulver Al₂O₃ gewählt. Der Schmelzpunkt von AlCr liegt wenigstens etwa 100°C über der Beschichtungstemperatur von etwa 800°C-1200°C, so daß kein Diffusionsverbinden der Metallpartikel untereinander bzw. ein Verklumpen auftritt.

Der Anteil eines Aktivatorpulvers beträgt etwa 3 Gew.-%, wobei AlF₃, d. h. eine Halo genidverbindung, gewählt wird. Als Verbindung für das Aktivatorpulver kommt z. B. auch CrCl₃ in Betracht. Eine solche Verbindung muß einen niedrigen Dampfdruck bei der Beschichtungstemperatur aufweisen, damit sie während des gesamten Be schichtungsprozesses erhalten bleibt. Zudem wird eine Halogenidverbindung des Spendermetalls, hier Aluminium, eingesetzt, um eine Agglomeration infolge einer chemischen Reaktion des Halogens mit dem Spendermetall zu vermeiden.

Die durchschnittliche Partikelgröße des inerten Füllpulvers beträgt 100 µm und ist deutlich größer als die Partikelgröße des Metallspenderpulvers, die 60 µm beträgt. Der Anteil von Aluminium, d. h. des Metallspenders, an dem Metallspenderpulver beträgt 50 Gew.-%.

Die so bereitgestellte Pulvermischung wird in den Hohlraum der Leitschaufeln zur Beschichtung der inneren Oberflächen eingefüllt. Die anschließende Beschichtung erfolgt bei 1080°C und einer Haltezeit von 6 h, wobei die Außenbeschichtung, d. h. die Beschichtung der äußeren Oberflächen der Leitschaufel, gleichzeitig in einem Einstufenprozeß mit einem herkömmlichen Pulverpackverfahren oder auch durch ein Gasdiffusionsbeschichtungsverfahren erfolgen kann.

Der Al-Gehalt in der Schicht liegt bei der auf diese Weise abgeschiedenen Innenbe schichtung zwischen 30 und 35 Gew.-%.

Bei einem zweiten Beispiel wird wieder ein inertes Füllpulver (Al₂O₃) mit einer durch schnittlichen Partikelgröße von etwa 100 µm gewählt, das etwa 80 Gew.-% der Pul vermischung ausmacht. Als Aktivatorpulver wird AlF₃ mit etwa 3 Gew.-% eine Pulver mischung gewählt und zugemischt.

Im Unterschied zu Beispiel 1 besteht das Metallspenderpulver, das einen Anteil von etwa 20 Gew.-% an der Pulvermischung ausmacht, aus zwei Fraktionen. Die erste Fraktion ist eine Legierung aus AlCr, bei der der Anteil von Aluminium 50 Gew.-% beträgt. In der zweiten Fraktion ist der Anteil des Spendermetalls, Aluminium, gerin ger und beträgt 30 Gew.-%. Mit dieser Maßnahme läßt sich der Beschichtungsprozeß in der Weise optimieren, daß zunächst die Fraktion mit dem geringeren Al-Gehalt verarmt, der Beschichtungsprozeß jedoch durch die Fraktion mit dem größeren Al- Gehalt fortgesetzt wird. Auf diese Weise läßt sich die Duktilität der Schichten auf den inneren Oberflächen der Leitschaufel vergrößern.

Der Al-Gehalt in den inneren Schichten beträgt 24 bis 28 Gew.-%. Die Innenschicht dicken liegen zwischen 65 und 105 µm und damit deutlich über den mit herkömmli chen (Pulverpack-)Verfahren erzielbaren Schichtdicken.

Claims

1. Verfahren zum Beschichten von Hohlkörpern, bei dem eine Pulvermischung aus einem Metallspenderpulver, einem inerten Füllpulver und einem Aktivatorpulver aus einem Metallhalogenid bereitgestellt wird, die Pulvermischung mit einer zu beschichtenden, inneren Oberfläche des Hohlkörpers in Kontakt gebracht und erwärmt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das inerte Füllpulver mit einer Parti kelgröße, die ungefähr gleich oder größer als die Partikelgröße des Metallspen derpulvers ist, bereitgestellt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Metallspenderpul ver und das inerte Füllpulver mit einer durchschnittlichen Partikelgröße von grö ßer als 40 µm bereitgestellt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Pulvermi schung mit einem Anteil des Metallspenderpulvers von 20 Gew.-% bereitgestellt wird.

4. Verfahren nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, daß als Metallspenderpulver eine Legierung mit einem Anteil des Spendermetalls von 30 bis 70 Gew.-% bereitgestellt wird.

5. Verfahren nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, daß als Metallspenderpulver eine Mischung aus einer Legierung mit einem Spendermetallanteil von 40 bis 70 Gew.-% und einer Legierung mit einem Spendermetallanteil von 30 bis 50 Gew.-% bereitgestellt wird.

6. Verfahren nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, daß eine Pulvermischung mit einem Aktivatorpulveranteil von 2 bis 5 Gew.-% bereitgestellt wird.

7. Verfahren nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, daß für das Aktivatorpulver ein Metallhalogenid des Spenderme talls ausgewählt wird.

8. Verfahren nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, daß als Spendermetallpulver AlCr ausgewählt wird.

9. Verfahren nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, daß als inertes Füllpulver Al₂O₃ ausgewählt wird.

10. Verfahren nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, daß die Pulvermischung auf eine Beschichtungstemperatur von 800 °C bis 1200°C erwärmt wird.