DE60036802T2

DE60036802T2 - Beschichtung mit edelmtall-aluminiden in einem verfahrensschritt

Info

Publication number: DE60036802T2
Application number: DE60036802T
Authority: DE
Inventors: George E. Indianapolis CREECH; Subhash K. Carmel NAIK; Paul S. Aiken KORINKO
Original assignee: Rolls Royce Corp
Current assignee: Rolls Royce Corp
Priority date: 1999-07-16
Filing date: 2000-07-17
Publication date: 2008-07-24
Anticipated expiration: 2020-07-18
Also published as: WO2001005579A2; TW499364B; DE60036802D1; BR0012474A; JP2003504519A; CA2378908C; EP1204532A4; US6406561B1; EP1204532B1; WO2001005579A3; AU1187001A; EP1204532A2; MY125787A; CA2378908A1; BR0012474B1

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Aluminid-Beschichtungen und betrifft spezieller ein einstufiges Verfahren zum Erzeugen von Edelmetall-Aluminid-Diffusionsbeschichtungen.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
In der Technik der Gasturbinentriebwerke werden hochtemperaturkorrosions- und oxidationsbeständige Schutzbeschichtungen für Legierungkomponenten auf Nickel- und Cobaltbasis benötigt, wie beispielsweise für Flügel und Schaufeln. Diese Beschichtungen sind besonders verwendbar bei der neuen Generation von Gasturbinentriebwerken, die so ausgelegt sind, dass sie für eine größere Triebwerkleistung und Kraftstoffausnutzung bei höheren Turbineneinlasstemperaturen betrieben werden.
Aluminid-Diffusionsbeschichtungen sind zum Schutz von Legierungskomponenten im Turbinenteil von Gasturbinentriebwerken verwendet worden. Im Allgemeinen wird eine Aluminid-Diffusionsbeschichtung erzeugt, indem ein Pulver auf Aluminiumbasis auf ein Legierungssubstrat aufgebracht und erhitzt wird, um das Aluminium in das Substrat einzudiffundieren.
In Aluminid-Diffusionsbeschichtungen können Chrom oder Mangan einbezogen werden, um deren Hochtemperaturkorrosions-/Oxidationsbeständigkeit zu erhöhen. Darüber hinaus hat die Zugabe von Edelmetallen, wie beispielsweise Platin, um Platin-Aluminid-Beschichtungen zu schaffen, die Hochtemperaturoxidationsbeständigkeit deutlich erhöht. Allerdings erfordert die Erzeugung dieser modifizierten Aluminid-Beschichtungen zusätzliche Verarbeitungsschritte und kompliziertere Betriebsbedingungen der Diffusionswärmebehandlung.
Spezielle Beispiele bekannter Beschichtungsprozesse schließen die Schaffung einer an Platin angereicherten Aluminid-Oberfläche ein, indem ein dünner Film von Platin auf ein sorgfältig gereinigtes Legierungssubstrat galvanisch abgeschieden wird und der dünne Platinfilm mit einer Aluminiumaufdampfung versehen wird, indem eine aktivierte aluminiumhaltige Beschichtung mit Hilfe einer Pulverzementierung, der CVD, mit Hilfe des thermischen Spritzens oder anderer bekannter Auftragsmethoden aufgebracht wird und anschließend das beschichtete Substrat bei einer Temperatur für eine Zeitdauer erhitzt wird, die ausreichend ist, um die an Platin angereicherte Aluminium-Diffusionsbeschichtung zu erzeugen. Wahlweise kann das Platin in das Substrat entweder vor oder nach der Aufbringung des Aluminiums eindiffundiert werden. Ebenfalls ist die Erzeugung der modifizierten Aluminid-Diffusionsbeschichtung unter Einsatz eines sequentiellen zweistufigen elektrophoretischen Abscheidungsprozesses mit einer Diffusionswärmebehandlung nach jedem der elektrophoretischen Abscheidungsschritte bekannt, wie beispielsweise in dem Dokument des Standes der Technik EP 0491414 A1 beschrieben wurde (siehe auch die US-P-5057196 von Creech et al., die hiermit als Fundstelle einbezogen sind).
Bei allen aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren gelangt eine mehrstufige Auftragsprozedur zur Anwendung, um sequentiell eine an Platin angereicherte Schicht und eine aluminiumhaltige Schicht aufzutragen, gefolgt von einer Diffusionswärmebehandlung, um modifizierte Edelmetall-Aluminid-Beschichtungen zu schaffen. Diese mehrstufigen Prozesse sind kostspielig und zeitaufwändig und lassen die Erzeugung des Auftrags derartiger Beschichtungen aus kommerzieller Sicht weniger vorteilhaft erscheinen. Obgleich die Kosten von Edelmetallen und Metallen der Chrom-Gruppe, die in die modifizierten Aluminid-Beschichtungen einbezogen sind, bedeutende Kosten der Beschichtungen darstellen, sind die Kosten in Verbindung mit den Verarbeitungsverfahren und gleichbedeutende wenn nicht größere Kosten der Beschichtungen.
Es besteht ein Bedarf nach Verfahren zur Rationalisierung der Prozesse der Edelmetall-Aluminid-Beschichtung, um den Wirkungsgrad zu verbessern, die Kosten zu senken und für Substrate aus Legierungen auf Basis von Nickel oder Cobalt eine wirksame korrosions- und/oder oxidationsbeständige Schutzüberzüge zu gewähren. Auf diesen Bedarf ist die vorliegende Erfindung gerichtet.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Beschreibt die vorliegende Erfindung allgemein, so wird ein „einstufiges" Verfahren zum Erzeugen einer Aluminid-Diffusionsbeschichtung gewährt. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren werden zwei oder mehrere pulverförmige Metalle oder Metalllegierungen aufgebracht und gemeinsam in das Metallsubstrat diffundiert und bevorzugt unter Anwendung eines mehrstufigen Wärmebehandlungsprozesses. Dieses Verfahren steht im Gegensatz zu der Technologie des Standes der Technik, wo pulverförmige Metalle separat aufgebracht und in das Substrat diffundiert werden.
Mit dem erfindungsgemäßen einstufigen Verfahren kann eine Vielzahl von pulverförmigen Metallen aufgebracht werden. Im Allgemeinen weisen die Beschichtungszusammensetzungen vorzugsweise eine Mischung auf aus: (1) einem Platinpulver und (2) einer aluminiumhaltigen Komponente. In das Platinpulver ist bevorzugt Silicium entweder als ein Vorlegierungspulver oder als ein Legierungspulver einbezogen. In einer der Ausführungsformen ist in die aluminiumhaltige Komponente ein Aluminiumlegierungspulver einbezogen, das Aluminium und Chrom aufweist, obgleich in einigen bevorzugten Ausführungsformen auch Mangan zugesetzt ist In anderen bevorzugten Ausführungsformen wird ein Aluminiumpulver entweder zusätzlich oder an Stelle des Aluminiumlegierungspulvers verwendet In noch anderen bevorzugten Ausführungsformen werden Hafnium, Yttrium und/oder Lanthan zu einem der vorgenannten Pulver zugegeben oder werden separat der rohen Beschichtungszusammensetzung zugesetzt.
In der vorstehend beschriebenen Beschichtungszusammensetzung kann ein Teil oder das gesamte Platin in dem Platinpulver durch andere Metalle der Edelmetallgruppe ersetzt werden, wie beispielsweise Palladium, Ruthenium und Rhodium.
Unabhängig von den zur Anwendung gelangenden Metallen werden alle Metalle in dem erfindungsgemäßen einstufigen Verfahren gemeinsam durch Diffusion in das Substrat eingebracht. Um dieses zu erreichen, wird bevorzugt ein mehrstufiger Wärmebehandlungsprozess eingesetzt. Bei dem mehrstufigen Wärmebehandlungsprozess wird das mit Pulver bedeckte Substrat zunächst bis zu einer ersten Temperatur erhitzt, um den Diffusionsprozess einzuleiten, und wird anschließend bis zu einer zweiten Temperatur erhitzt, um die Diffusion zu vervollständigen. In einigen Ausführungsformen wird auch eine Vor-Diffusionswärmebehandlung angewendet.
Eine der Aufgaben der vorliegenden Erfindung ist die Gewährung eines wirtschaftlichen Verfahrens zur Schaffung von Edelmetall-Aluminid-Diffusionsbeschichtungen.
Weitere Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden anhand der nachfolgenden Beschreibung offensichtlich.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine graphische Darstellung des Zusammensetzungsprofils einer Platin-Aluminid-Diffusionsbeschichtung bekannter Ausführung;
2 ist ein gescanntes Bild einer Mikrophotographie einer der Ausführungsformen einer nach Beispiel 1 der vorliegenden Erfindung einstufig hergestellten, mit Platin-Silicium angereicherten Aluminid-Diffusionsbeschichtung;
3 ist ein gescanntes Bild einer Mikrophotographie einer der Ausführungsformen eines nach Beispiel 2 der vorliegenden Erfindung unter Anwendung eines Elektrophoresebades hergestellten, mit einer Platin-Silicium angereicherten Aluminid-Diffusionsbeschichtung versehenen Probekörpers;
4 ist ein gescanntes Bild einer Mikrophotographie einer der Ausführungsformen eines Probekörpers auf Basis einer Nickellegierung, der mit einer nach Beispiel 3 der vorliegenden Erfindung unter Anwendung einer Aufschlämmung der Beschichtungszusammensetzung mit einer Platin-Silicium-Mangan angereicherten Aluminid-Diffusionsbeschichtung beschichtet ist;
5 ist ein gescanntes Bild einer Mikrophotographie einer der Ausführungsformen eines Stiftes auf Basis einer Nickellegierung, der mit einer Platin-Silicium-Mangan angereicherten Aluminid-Diffusionsbeschichtung beschichtet ist, die nach Beispiel 4 der vorliegenden Erfindung unter Anwendung eines Elektrophoresebades hergestellt ist;
6 ist ein gescanntes Bild einer Mikrophotographie einer der Ausführungsformen einer Platin-Silicium angereicherten Aluminid-Beschichtung einer Legierung auf Nickelbasis, die nach Beispiel 5 der vorliegenden Erfindung hergestellt ist;
7 ist eine graphische Darstellung der Abnahme des spezifischen Gewichts von Platin-Aluminid-Beschichtungen der vorliegenden Erfindung in Abhängigkeit von der Zeit, wenn diese einem dynamischen Oxidationsversuch unterzogen werden;
8 ist eine schematische Ansicht (teilweise im gebrochenen Schnitt) einer typischen Turbinenschaufel mit einer Beschichtung des erfindungsgemäß diffundierten Plantin-Aluminids der vorliegenden Erfindung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Zum besseren Verständnis der Grundsätze der Erfindung wird nun auf bevorzugte Ausführungsformen Bezug genommen und zur Beschreibung derselben eine spezielle Terminologie verwendet. Nichtsdestoweniger gilt als selbstverständlich, dass damit keine Beschränkung des Schutzumfanges der Erfindung zu verstehen ist. Als einbezogen gelten alle Änderungen und weiteren Modifikationen in den beschriebenen Verfahren, Beschichtungen oder Zusammensetzungen sowie alle weiteren Anwendungen der Grundsätze der Erfindung, wie sie hierin beschrieben wurde, die für einen Fachmann auf dem Gebiet, auf das sich die Erfindung bezieht als selbstverständlich erscheint.
Wie vorstehend kurz beschrieben wurden, gewährt die vorliegende Erfindung ein „einstufiges" Verfahren zum Erzeugen von Edelmetall-Aluminid-Diffusionsbeschichtungen auf metallischen Substraten. Obgleich die vorliegende Erfindung eine vorteilhafte Anwendung bei der Erzeugung von Edelmetall-Aluminid-Beschichtungen auf Substraten auf Nickel- und Cobaltbasis findet, ist sie besonders nützlich beim Reparieren und erneuten Beschichten metallischer Substrate, die fehlerhafte Edelmetall-Aluminid-Beschichtungen haben.
In den am Meisten bevorzugten Aspekten der vorliegenden Erfindung weist eine einzelne „rohe" Beschichtungszusammensetzung (d. h. die auf dem Substrat aufgetragene Zusammensetzung vor der Wärmebehandlung oder einer anderen Härtung) zwei oder mehrere pulverförmige Metalle auf, die auf ein Metallsubstrat oder einen Abschnitt des Substrats aufgetragen sind, dass die fehlerhafte Beschichtung aufweist. Das beschichtete Substrat wird sodann durch Erhöhen der Temperatur mit einer kontrollierten Geschwindigkeit oder mehr bevorzugt über einen mehrstufigen Wärmebehandlungsprozess unter Erzeugung einer Edelmetall-Aluminid-Diffusionsbeschichtung erhitzt. Das Verfahren bietet den Vorteil, dass es bei deutlich herabgesetzten Kosten und Aufwand im Vergleich zu konventionellen Beschichtungsmethoden betrieben werden kann.
1. Substrate
Die Beschichtungszusammensetzungen der vorliegenden Erfindung können auf die Oberfläche einer großen Vielzahl von Substraten aufgebracht werden, wobei am Meisten bevorzugt Legierungssubstrate auf Nickel- oder Cobaltbasis sind. Beispiele für Legierungen, die mit Edelmetall-Aluminid-Beschichtungen gemäß der vorliegenden Erfindung geschützt werden können, schließen die folgenden ein, ohne auf diese beschränkt zu sein: Legierungen auf Nickelbasis, wie beispielsweise IN738, IN792, Mar-M246, Mar-M247; einkristalline Nickellegierungen, wie beispielsweise CMSX-3 oder CMSX-4 und Legierungen auf Cobaltbasis, wie beispielsweise Mar-M509 und X40, die dem Fachmann auf dem Gebiet insgesamt bekannt sind.
2. Die "rohen" Beschichtungszusammensetzungen
Um die in den rohen Beschichtungszusammensetzungen verwendeten Metalle spezieller zu beschreiben, wird in einer der Ausführungsformen ein erstes Pulver mit 40% bis 80 Gew.% (bezogen auf das Gewicht des Gesamtmetalls), das 85% bis 100% Pt Aufweist und bis zu etwa 15% Si; und 20 bis 60% eines zweiten Pulvers, das 50 bis 75% Al und 25 bis 50% Cr aufweist. Alle hierin aufgeführten Prozentangaben sind, sofern nicht anders angegeben, auf Gewichtsprozent bezogen. Eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet das gleiche erste Pulver mit 40 bis 80%, das 85 bis 100% Pt aufweist und bis zu 15% Si; sowie das gleiche zweite Pulver mit 20 bis 60%, das 50 bis 75% Al und 25 bis 50% Cr aufweist; und zusätzlich bis zu 40% eines dritten Pulvers, das 95 bis 100% Al aufweist.
In einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist die rohe Beschichtungszusammensetzung 40 bis 80% eines ersten Pulvers auf, das 85 bis 100% Pt aufweist und bis zu etwa 15% Si; und 20 bis 60% eines zweiten Pulvers, das 35 bis 45% Al aufweist, 35 bis 45% Cr und 10 bis 30% Mn. In einer vierten Ausführungsform wird ein erstes Pulver mit 40 bis 80% verwendet, das 85 bis 100% Pt aufweist und bis zu etwa 15% Si; und 20 bis 60% eines zweiten Pulvers, das 35 bis 45% Al aufweist, 35 bis 45% Cr und 10 bis 30% Mn; und zusätzlich bis zu 40% eines dritten Pulvers hinzugefügt werden, das 95 bis 100% Al aufweist.
In einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird eine rohe Beschichtungszusammensetzung verwendet, die lediglich das erste und dritte Pulver der ersteren Ausführungsformen hat und dementsprechend 50 bis 80% eines ersten Pulvers aufweist mit 85 bis 100% Pt und 0 bis 15% Si; und 20 bis 50% eines zweiten Pulvers aufweist mit 95 bis 100% Al.
In alternativen Ausführungsformen kann ein Teil oder das gesamte Platin in der ersten Pulverzusammensetzung ersetzt werden durch andere Edelmetalle, wie beispielsweise Palladium, Ruthenium und Rhodium. Alternativ können in das erste Pulver, das zweite Pulver oder in das dritte Pulver bis zu etwa 5% Hf, Y, La oder Mischungen davon einbezogen werden. Darüber hinaus können in jede der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen der rohen Beschichtungszusammensetzung bis zu etwa 5% eines vierten Pulvers einbezogen werden, das Hf, Y oder La oder Mischungen davon aufweist unabhängig von der Art des Einbaus.

Eine Zusammenstellung der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen ist in Tabelle 1 gezeigt. TABELLE 1 Beschichtungszusammensetzungen

Ausführungsform	Platinpulver (Gew.%)^1,2	Aluminiumhaltige Komponente
		Aluminiumlegierung- oder Vor-Legierungspulver (Gew.%)²		Aluminiumpulver (Gew.%)²
	85–100 PT, 0–15 SI	50–75 AL 25–50 CR	35–45 AL 35–45 CR 10–30 MN	95–100 AL
1	40–80	20–60	-	-
2	40–80	20–60	-	BIS ZU 40
3	4080	-	20–60	-
4	40–80	-	20–60	BIS ZU 40
5	50–80	-	-	20–50

¹ Ein Teil oder das gesamte Platin kann durch andere Edelmetalle ersetzt werden, wie beispielsweise Palladium, Ruthenium und Rhodium.
² Die metallischen Komponenten können bis zu etwa 5% Hf, Y, La oder Mischungen davon enthalten.

a) Bevorzugte Zusammensetzungen unter Verwendung von Pt-Si-Pulver und Al-Cr-Legierungspulvern
Wie vorstehend ausgeführt, kann die rohe Beschichtungszusammensetzung etwa 40% bis etwa 80 Gew.% (bezogen auf das Gewicht des in der Beschichtung verwendeten Metalls) eines platinhaltigen Pulvers aufweisen und am Meisten bevorzugt ein Platin-Silicium-Pulver. Bevorzugt werden etwa 55% bis etwa 70 Gew.% des platinhaltigen Pulvers verwendet. Darüber hinaus können in die rohe Beschichtungszusammensetzung etwa 20 bis 60% einer aluminiumhaltigen Komponente einbezogen werden, die Aluminium- und Chrommetall entweder als eine Mischung von Metallpulvern oder bevorzugt eine Al-Cr-Pulverlegierung aufweist. Die auf diese Weise erzeugten mit Platin-Silicium angereicherten Aluminid-Diffusionsbeschichtungen sind in der Regel hochtemperaturbeständige und oxidationsbeständige Beschichtungen.
Im Sinne dieser dargelegten Beschreibung sollen in die Bezugnahmen auf Platin-Silicium-Pulver auch Ausführungsformen einbezogen sein, in denen die Menge von Pt 100% und die von Si 0% beträgt, selbst dann, wenn derartige Ausführungsformen normalerweise nicht als Pt-Si-Pulver angesehen werden könnten. Wie vorstehend ausgeführt, sind in die bevorzugten Ausführungsformen sowohl Pt als auch Si einbezogen.
Bei Verwendung von Pt-Si-Pulvern kann das Platin-Silicium-Pulver ein inniges Gemisch von elemantarem Platin und Silicium sein oder kann eine pulverförmige Pt-Si-Legierung sein. Bevorzugt weist das Platin-Silicium-Pulver etwa 85% bis etwa 99 Gew.% Platin und etwa 1% bis etwa 15 Gew.% Silicium auf und mehr bevorzugt etwa 87% bis etwa 97 Gew.% Platin und etwa 3% bis etwa 13 Gew.% Silicium. Wahlweise können in das Platin-Silicium auch bis zu etwa 5% Hf, Y, La oder die Edelmetallmischungen davon einbezogen sein.
Die Platin-Silicium-Legierung wird bevorzugt hergestellt, indem zunächst feindisperses Platinpulver mit Siliciumpulver einer Partikelgröße von etwa 1 Mikrometer gemischt werden, die gemischten Pulver zu einem Pellet kompaktiert werden und das Pellet in einer Argonatmosphäre oder einer anderen geeigneten Schutzatmosphäre in einer schrittweisen Wärmebehandlung gesintert werden. Eine dieser Wärmebehandlungen schließt das Sintern des Pellets 1) bei etwa 1400°F für 30 Minuten ein, 2) bei etwa 1500°F für etwa 10 Minuten, 3) bei etwa 1525°F für etwa 30 Minuten, 4) bei etwa 1800°F für etwa 15 Minuten und anschließend 5) bei etwa 1900°F für etwa 30 Minuten.
Das gesinterte Pellet wird sodann auf eine ungefähre mittlere Partikelgröße von etwa 325 Mesh zerkleinert, indem es in einem Stahlzylinder und Pistill pulverisiert wird und anschließend die pulverisierten Partikel in einem Träger (im typischen Fall 60 Gew.% Isopropanol und etwa 40 Gew.% Nitromethan) für 10 bis 30 Stunden unter einer inerten Atmosphäre, wie beispielsweise Argon, einer Behandlung in der Kugelmühle unterzogen wird, um ein Platin-Silicium-Legierungspulver mit einem Partikelgrößenbereich im typischen Fall von 1 bis 10 Mikrometer zu erzeugen. Ein solches Legierungspulver lässt sich auch erzeugen, indem andere geeignete, auf dem Fachgebiet bekannte Methoden angewendet werden, wie beispielsweise eine Gaszerstäubung.
Was den Anteil der Aluminium-Chrom-Legierung an den rohen Beschichtungszusammensetzungen betrifft, so weisen die Beschichtungen bevorzugt etwa 20% bis etwa 60 Gew.% (bezogen auf des Gewicht des in der Beschichtung verwendeten Metalls) die Aluminium-Chrom-Vorlegierung oder das Legierungspulver auf. Mehr bevorzugt sind in die Beschichtungszusammensetzungen etwa 30% bis etwa 45 Gew.% der Aluminium-Chrom-Legierung einbezogen. In die Aluminium-Chrom-Legierung einbezogen sind etwa 50% bis etwa 75 Gew.%. Aluminium und etwa 25% bis etwa 50 Gew.% Chrom; mehr bevorzugt etwa 68% bis etwa 72 Gew.%. Aluminium und etwa 28% bis etwa 32 Gew.% Chrom. Wahlweise können in die Aluminium-Chrom-Legierung auch bis zu etwa 5% Hf, Y, La oder Mischungen davon einbezogen sein.
Die Aluminium-Chrom-Legierung kann als ein Legierungspulver bereitgestellt werden, das entsprechend den Standardverfahren hergestellt wird, wie sie auf dem Fachgebiet bekannt sind. Es sind geeignete Aluminium-Chrom-Legierungen kommerziell verfügbar. Kommerziell verfügbar ist eine Aluminium-Chrom-Legierung, in die etwa 55 Gew.% Aluminium und etwa 45 Gew.% Chrom einbezogen sind. Die pulverförmige Legierung hat bevorzugt eine mittlere Partikelgröße von etwa 3 bis etwa 10 Mikrometer.
(b) Bevorzugte Zusammensetzungen unter Verwendung von Pt-Si-Pulver, Al-Cr- Lerierungspulver und einer zusätzlichen Aluminiumhaltigen Komponente
Wahlweise kann in die Beschichtungszusammensetzung unter Verwendung von Pt-Si-Pulver und Al-Cr-Legierungspulver auch bis zu etwa 40 Gew.% einer zusätzlichen aluminiumhaltigen Komponente einbezogen sein, einschließlich Aluminiumpulver. Mehr bevorzugt sind in die Beschichtungszusammensetzung etwa 2% bis etwa 20 Gew.% der zusätzlichen aluminiumhaltigen Komponente einbezogen.
Die zusätzliche aluminiumhaltige Komponente kann weitgehend aus Aluminiummetallpulver bestehen. Alternativ kann die zusätzliche aluminiumhaltige Komponente mindestens etwa 95 Gew.% Aluminiummetall aufweisen und bis zu etwa 5 Gew.% eines Metalls, das ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus Hf, Y, La und Mischungen davon. Die aluminiumhaltige Komponente kann ein inniges Gemisch von Metallpulvern oder pulverförmiger Legierung sein. Sofern die aluminiumhaltige Komponente eine pulverförmige Legierung ist, ist sie hinsichtlich der Zusammensetzung von dem vorstehend diskutierten Al-Cr-Legierungspulver verschieden.
In bestimmten bevorzugten Ausführungsformen sind in die nichtdiffundierte Beschichtungszusammensetzung auch ein oder mehrere zusätzliche metallische Materialien einbezogen, um die physikalischen und chemischen Eigenschaften des beschichteten Substrats zu modifizieren. Beispiele für metallische Materialien, die in die Beschichtungszusammensetzung einbezogen werden können, schließen ein: Y, Hf, La sowie andere Edelmatalle (z. B. Pd, Rh und Ru sowie Mischungen davon).
(c) Bevorzugte Zusammensetzungen unter Verwendung von Pt-Si-Pulver und Al-Cr-Mn-Legierungspulvern
In einer anderen bevorzugten Ausführungsform weist die rohe Beschichtungszusammensetzung etwa 40% bis etwa 80 Gew.% ein Platin-Silicium-Pulver auf und mehr bevorzugt etwa 55% bis etwa 65 Gew.% und etwa 20% bis etwa 60 Gew.% einer aluminiumhaltigen Komponente, die Al-, Cr- und Mn-Metalle entweder als eine Mischung von Metallpulvern aufweist oder vorzugsweise eine pulverförmige Al-Cr-Mn-Legierung. Mehr bevorzugt sind in die rohe Beschichtungszusammensetzung etwa 35% bis etwa 45 Gew.% der aluminiumhaltigen Komponente einbezogen, die Al, Cr und Mn aufweist. Die mit Platin-Silicium-Mangan angereicherten Aluminid-Diffusionsbeschichtungen, die auf diese Weise erzeugt sind, sind in der Regel hochkorrosionsfeste Beschichtungen.
Wie bei den vorangegangenen Ausführungsformen ist das Platin-Silicium-Pulver vorzugsweise eine pulverförmige Legierung, obgleich ein inniges Gemisch der Platin- und Silicium-Metalle in der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann. Die bevorzugte Zusammensetzung des Platin-Silicium-Pulvers ist eine solche, wie sie vorstehend beschrieben wurde.
Ebenfalls wurde die Al-Cr-Mn-Legierung vorstehend allgemein beschrieben, obgleich die Zugabe von Mangan die bevorzugten Mengen der verschiedenen Metalle etwas verändert. In dieser Ausführungsform schließt die Aluminiumlegierung etwa 35% bis etwa 45 Gew.% Aluminium ein, etwa 35% bis etwa 45 Gew.% Chrom und etwa 10% bis etwa 30 Gew.% Mangan, wobei mehr bevorzugt etwa 38% bis etwa 44 Gew.% Aluminium, etwa 38% bis etwa 42 Gew.% Chrom und etwa 16% bis etwa 22 Gew.% Mangan sind. Wahlweise können in die Al-Cr-Mn-Legierung auch bis zu etwa 5% Hf, Y, La oder Mischungen davon einbezogen sein.
Die Aluminium-Chrom-Mangan-Legierung kann als ein Legierungspulver bereitgestellt werden, das nach den Standardprozessen hergestellt wird, wie sie auf dem Fachgebiet bekannt sind und das kommerziell verfügbar ist. Die kommerziell hergestellte pulverförmige Legierung hat eine mittlere Partikelgröße von etwa 3 bis etwa 10 Mikrometer.
(d) Bevorzugte Zusammensetzungen unter Verwendung von Pt-Si-Pulver, Al-Cr-Mn-Legierungspulver und einer zusätzlichen Al-haltigen Komponente
Wie im Fall der Ausführungsformen des Pt-Si/Al-Cr-Legierungspulvers können in die Ausführungsformen mit Pt-Si/Al-Cr-Mn auch bis zu etwa 40 Gew.% einer zusätzlichen aluminiumhaltigen Komponente einbezogen sein, die Aluminiumpulver einschließt. Mehr bevorzugt werden etwa 5% bis etwa 20 Gew.% der zusätzlichen aluminiumhaltigen Komponente verwendet.
Wie ebenfalls vorstehend kann die aluminiumhaltige Komponente im Wesentlichen aus Aluminiummetallpulver bestehen. Alternativ kann in die aluminiumhaltige Komponente mehr als 95 Gew.% Aluminiummetall einbezogen sein und bis zu etwa 5 Gew.% eines Metalls, das ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus Hf, Y, La und Mischungen davon. Die aluminiumhaltige Komponente kann ein inniges Gemisch von Metallpulvern sein oder eine pulverförmige Legierung. Die aluminiumhaltige Komponente kann nach standardisierten Verfahren hergestellt werden, wie sie auf dem Fachgebiet gut bekannt sind, wobei das Aluminium vorzugsweise in Pulverform mit einer Partikelgröße von etwa 1 bis etwa 10 Mikrometer vorliegt.
Diese Beschichtungszusammensetzung gewährt eine hochkorrosionsbeständige Beschichtung für Legierungen auf Nickel- und Cobaltbasis. Allerdings hat diese Beschichtung besondere Vorteile bei Verwendung für Legierungen auf Nickelbasis.
(e) Bevorzugte Zusammensetzungen unter Verwendung von Pt-Si-Pulver und Al-haltigem Pulver allein
In noch einer anderen bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist die rohe Beschichtungszusammensetzung etwa 50% bis etwa 80 Gew.% eines Platin-Silicium-Pulvers auf und etwa 20% bis etwa 50 Gew.% einer aluminiumhaltigen Komponente. Mehr bevorzugt weist die Beschichtungszusammensetzung etwa 60% bis etwa 72 Gew.% des Platin-Silicium-Pulvers auf und etwa 28% bis etwa 40 Gew.% der aluminiumhaltigen Komponente.
Das Platin-Silicium-Pulver ist ein solches, wie es vorstehend beschrieben wurde.
Die aluminiumhaltige Komponente kann im Wesentlichen aus Aluminiummetallpulver bestehen. Alternativ weist die aluminiumhaltige Komponente mehr als 95 Gew.% Aluminiummetall und bis zu etwa 5 Gew.% eines Metalls auf, das ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus Hf, Y, La und Mischungen davon. Vorzugsweise ist die aluminiumhaltige Komponente eine solche, wie sie vorstehend beschrieben wurde.
Diese Beschichtungszusammensetzung kann unter Erzeugung einer Platin-Aluminid-Beschichtung wärmebehandelt werden, die eine Hochtemperaturoxidationsbeständigkeit sowohl bei Legierungen auf Nickel- als auch auf Cobaltbasis zeigt.
3. Aufbringung der rohen Beschichtungszusammensetzungen
Unabhängig von der Zahl oder der Zusammensetzung der verschiedenen Pulver, die zur Erzeugung der Beschichtungszusammensetzungen verwendet werden, kann die Beschichtungszusammensetzung auf ein Metallsubstrat unter Anwendung einer Vielzahl von Auftragsmethoden aufgebracht werden, wie sie auf dem Fachgebiet bekannt sind. Diese schließen ein Tauchbeschichten, Spritzbeschichten, Beschichten aus einer Aufschlämmung, elektrophoretisches Beschichten u. dgl. ein, um auf dem Substrat eine rohe Beschichtung zu schaffen (d. h. die auf dem Substrat aufgebrachte Zusammensetzung vor der Wärmebehandlung oder einer anderen Härtung).
Im typischen Fall wird die rohe Beschichtungszusammensetzung in einem Träger suspendiert, um eine Aufschlämmung zu erzeugen, die in einem einzigen Auftrag auf die Oberfläche des Substrats aufgebracht wird, um eine einzige, homogene nicht diffundierte Beschichtung zu schaffen. Bevorzugte Auftragsmethoden schließen die elektrophoretische Abscheidung oder das Aufstreichen der Aufschlämmung auf die Substratoberfläche ein.
Die rohe Beschichtungszusammensetzung kann auf einem Legierungssubstrat auf Nickel- oder Cobaltbasis nach einem ersten Entfetten des Substrats und anschließendem Trockenhonen des gereinigten Substrats unter Verwendung von Aluminiumoxid-Partikeln mit einer Körnung von 220 oder 240 abgeschieden werden. Der Schritt der elektrophoretischen Abscheidung wird in einem Elektrophoresebad ausgeführt, worin ein Träger, Zein, Cobaltnitrat-hexahydrat und die gewünschten metallischen Pulver einbezogen sind. Eine Probe eines Elektrophoresebads enthält:

(A) Einen Träger, aufweisend: 60 ± 5 Gew.% Isopropanol, 40 ± 5% Nitromethan;
(B) Metallpulver: 20 bis 35 g der gesamten Beschichtungszusammensetzung pro Liter Träger;
(C) Zein: 2,0 bis 3,0 g Zein pro Liter Träger und
(D) Cobaltnitrat-hexahydrat (CHN): 0,10 bis 0,20 g CHN pro Liter Träger.

Um eine elektrophoretische Abscheidung aus dem Bad auf Substraten auf Basis von Nickel- oder Cobaltlegierung herbeizuführen, wird das Legierungssubstrat in das Elektrophoresebad eingetaucht und in einem Gleichstromkreis als Kathode geschaltet. Als Anode wird ein Metallstreifen verwendet, beispielsweise rostfreier Stahl, Nickel oder ein anderes leitfähiges Metall, und wird in das Bad angrenzend an dem Legierungssubstrat (Kathode) eingetaucht.
Zwischen dem Substrat (Kathode) und dem Metallstreifen (Anode) wird für eine Zeitdauer von 1 bis 4 Minuten eine Stromdichte von etwa 1 bis etwa 2 mA/cm² angelegt, während das Bad gerührt wird, um die gewünschten Metallpulver in Suspension zu halten, und wird vorzugsweise bei Raumtemperatur gehalten. Während dieser Zeitdauer wird eine Mischung von Plation-Silicium-Pulver und die Aluminium enthaltende Legierung und/oder Aluminium enthaltende Komponente als ein homogener, gleichförmig dicker Pulverbelag auf der Substratoberfläche abgeschieden.
Das beschichtete Substrat wird sodann aus dem Elektrophoresebad entnommen und luftgetrocknet, um jegliches restliches Lösemittel abzudampfen. Die Masse der trocknen Beschichtung, die auf dem Substrat abgeschieden wurde, beträgt optimal etwa 20 bis etwa 40 mg/cm², obgleich Auftragsmassen von etwa 10 bis etwa 50 mg/cm² geeignet sind.
Die Beschichtungszusammensetzung kann auch mit Hilfe einer Methode der Abscheidung aus der Aufschlämmung auf dem Substrat aufgebracht werden. Im typischen Fall wird die Aufschlämmung durch Spritzen, Tauchen oder Aufstreichen auf dem Substrat aufgebracht, um eine glatte, homogene und gleichförmig dicke Beschichtung auf dem Substrat zu schaffen. Gute Ergebnisse werden dann erhalten, wenn die Beschichtung unter Verwendung eines Pinsels mit weicher Borste aufgestrichen wird.
Die Aufschlämmung enthält bevorzugt eine Mischung von Isopropanol und Nitromethan in einem Gewichtsverhältnis von 60:40, um die pulverförmige Beschichtungszusammensetzung zu suspendieren. Allerdings gilt als selbstverständlich, dass andere Träger, die die Bildung der Aluminid-Diffusionsbeschichtung nicht hemmen, ebenfalls verwendet werden können.
Mehr bevorzugt hält der ausgewählte Träger die metallischen und Legierungspulver in Suspension und verfügt über eine ausreichende Flüchtigkeit, um ein rasches Trocknen des beschichteten Substrats zu erlauben.
Im typischen Fall enthält die Aufschlämmung Zein (etwa 30 g pro Liter Träger) und etwa 500 bis etwa 1.000 g der Beschichtungszusammensetzung pro Liter Träger. Es gilt als selbstverständlich, dass die Zein-Konzentration und die Konzentration der Beschichtungszusammensetzung in der Bindemittellösung als Träger für die Praxis der vorliegenden Erfindung nicht entscheidend sind. Die Konzentration der Beschichtungszusammensetzung und/oder des Zeins kann daher variiert werden, um für eine gleichförmige Beschichtung zu sorgen, die eine optimale Bedeckung hat, indem ein Anstrich, eine Spritzpistole oder eine andere Auftragseinrichtung und -methoden angewendet werden.
Aus dem Vorgenannten wird ersichtlich, dass die rohe Beschichtungszusammensetzung bevorzugt eine homogene Mischung der Beschichtungsmaterialien ist. In den bevorzugten kommerziellen Ausführungsformen wird die rohe Beschichtungszusammensetzung hergestellt, indem die verschiedenen Materialien miteinander vor dem Auftrag der Beschichtung gemischt werden.
4. Wärmebehandlung zur Diffusion der aufgetragenen Beschichtungen
Wie vorstehend ausgeführt, wird in den erfindungsgemäßen einstufigen Verfahren bevorzugt ein sequentieller Prozess einer mehrstufigen Wärmebehandlung angewendet, um die pulverförmigen Beschichtungszusammensetzungen in das Substrat einzudiffundieren. In der ersten Wärmebehandlungsstufe wird das pulverförmige Metall bevorzugt erhitzt, bis es eine flüssige Übergangsphase auf dem Metallsubstrat bildet. Um dieses zu erreichen, erfolgt die erste Wärmebehandlung des beschichteten Substrats im Allgemeinen vorzugsweise bei einer Temperatur von etwa 900° bis 1600°F für etwa 0,25 bis 2 Stunden. Mehr bevorzugt wird das nicht diffundierte beschichtete Substrat einer ersten Wärmediffusionsbehandlung von etwa 1100 bis etwa 1400°F für etwa 0,25 Stunden bis etwa 2 Stunden unterzogen.
In der zweiten Wärmebehandlungsstufe wird das beschichtete Substrat ausreichend erhitzt, um die Beschichtung in das Substrat hinein diffundieren zu lassen. Im typischen Fall wird die Temperatur von der ersten Stufe bis zur zweiten Stufe in dem Ofen erhöht. Im Allgemeinen ist für diese Stufe eine Temperatur von etwa 1600° bis 2100°F und eine Heizdauer von einer bis acht Stunden wirksam. Mehr bevorzugt wird bei der zweiten Wärmebehandlungsstufe eine Temperatur von etwa 1850°F bis etwa 2080°F und einer Zeitdauer von etwa einer bis acht Stunden angewendet.
In einigen bevorzugten Ausführungsformen ist es vorteilhaft, einen Wärmebehandlungsschritt als Vorbehandlung als Teil oder vor der ersten Wärmebehandlungsstufe anzuwenden. Bei dieser Methode wird die erste Wärmebehandlungsstufe bevorzugt durch Erhitzen des beschichteten Substrats bis zu einer ersten Temperatur von 950° bis etwa 1150°F für etwa 0,5 bis etwa 1,0 Stunden ausgeführt.
Es ist offensichtlich, dass die mehrfachen Wärmebehandlungsstufen durch „stufenweises" Hochfahren der Temperatur von der unteren Wärmebehandlungstemperatur bis zu der höheren Wärmebehandlungstemperatur ausgeführt werden können. Bei dieser Methode gibt es unter Umständen keine klare Trennung zwischen der ersten Wärmebehandlungsstufe und der zweiten Wärmebehandlungsstufe, da die zwei Stufen glatt ineinander übergehen.
Die Diffusionswärmebehandlung wird bevorzugt in Vakuum, unter Wasserstoff, Argon oder einer anderen geeigneten Ofenatmosphäre ausgeführt.
In einer der bevorzugten Ausführungsformen wird das rohbeschichtete Substrat einer Vordiffusionstemperatur von etwa 950°F bis etwa 1150°F für 0,5 bis etwa 1 Stunde unterworfen. Danach wird das beschichtete Substrat bis etwa 1200°F bis etwa 1400°F für etwa 1 Stunde erhitzt und danach bis etwa 1900°F bis etwa 1975°F für etwa 1 bis etwa 8 Stunden. In einer anderen bevorzugten Ausführungsform wird die diffundierte Plantin-Aluminid-Beschichtung durch Erhitzen des nichtdiffundiert beschichteten Substrats bis zu einer Temperatur von etwa 900°F und danach Erhitzten des beschichteten Substrats bis zu einer Temperatur von etwa 1400°F durch wohlüberlegte Auswahl einer sorgfältig geregelten, stufenweisen Anstiegsgeschwindigkeit der Temperatur, gefolgt von einer gehaltenen höheren Temperatur bei etwa 1900°F bis 2100°F für etwa 1 bis etwa 8 Stunden erzeugt.
Ohne an irgendeine Theorie gebunden sein zu wollen, wird angenommen, dass das Aluminium in dem/den aluminiumhaltigen Material(ien) schmilzt und alle anderen Komponenten in der Beschichtungszusammensetzung in dem schmelzflüssigen Aluminium durch Diffusion in das Aluminium übergehen. Nach ausreichender Zeitdauer zum Diffusionsübergang der Komponenten der Beschichtungszusammensetzung wird das beschichtete Substrat bis zu einer zweiten Temperatur erhitzt, die größer ist als die erste Temperatur, um die Beschichtungszusammensetzung in das Substrat hinein zu diffundieren.
In 1 wird eine graphische Darstellung eines Zusammensetzungsprofils einer typischen Platin-Aluminid-Beschichtung bekannter Ausführung dargestellt. Diese Platin-Aluminid-Beschichtung wird durch galvanisches Abscheiden einer dünnen Platinschicht auf einer Nickellegierung (IN792) und anschließender Überaluminierung der Platinschicht unter Anwendung eines Prozesses der Aluminium-Pulverzementierung erzeugt. Die Mikrostruktur ist im typischen Fall eine doppellagige Struktur mit einer äußeren Lage, die aus leicht ätzenden Inseln von platinreichen Phasen besteht. Der Platingehalt beträgt etwa 35 Gew.% an der Oberfläche und der Aluminiumgehalt etwa 20 Gew.%.
Zum Zwecke des besseren Verständnisses und Einschätzung der vorliegenden Erfindung und ihrer Vorteile werden die folgenden Beispiele geboten. Es wird jedoch für selbstverständlich gehalten, dass diese Beispiele ausschließlich veranschaulichenden Zwecken dienen und den Schutzumfang der beanspruchten Erfindung nicht beschränken sollen.
BEISPIEL 1
Platin-silicium/aluminium-legierungsbeschichtung
Es wurde ein als Mar-M247 bezeichneter Probekörper auf Basis einer Nickellegierung durch Trockenhonen mit Aluminiumoxid einer Körnung von 220 gereinigt. Eine Aufschlämmung einer Beschichtungszusammensetzung aus etwa 1 g/l einer Mischung von 65 Gew.% Platin-Silicium-Vorlegierungspulver (90:1; Pt:Si) und 35 Gew.% einer Aluminiumlegierung (70:30; Al:Cr) und Zein (0,03 g/ml) wurde in einer Bindemittellösung als Träger suspendiert, die etwa 60 ± 5 Gew.% Isopropanol und etwa 40 ± 5 Gew.% Nitromethan aufwies. Nachdem die Beschichtungszusammensetzung auf den Probekörper aufgestrichen wurde, wurde der Probekörper luftgetrocknet, um das restliche Lösemittel abzudampfen. Der beschichtete Probekörper wurde im Vakuum bis zu einer ersten Haltetemperatur von etwa 1350°F für 1 Stunde erhitzt und danach bis zu einer zweiten Haltetemperatur von etwa 2000°F für 2 Stunden erhitzt, um die diffundierte Platin-Aluminid-Beschichtung zu erzeugen.
Der beschichtete Probekörper wurde aus dem Ofen entnommen und auf Raumtemperatur abkühlen gelassen. Der beschichtete Probekörper wurde leicht durch Trockenhonen mit Aluminiumoxid einer Körnung von 220 gereinigt.
2 zeigt ein gescanntes Bild einer Mikrophotographie der einstufigen diffundierten mit Platin-Silicium angereicherten Aluminid-Beschichtung von Beispiel 1. Wie aus der Figur entnommen werden kann, hat die diffundierte Aluminid-Beschichtung im typischen Fall eine Dicke von etwa 2 bis 2,5 mil. Das auf Nickel basierende Legierungssubstrat 10 schließt eine diffundierte Platin-Aluminid-Beschichtung 12 ein, die als eine im Wesentlichen einzelne Lage ausgebildet ist und die mehrfache Zonen und eine Diffusionszone einschließen kann. Die diffundierte Beschichtungszusammensetzung schließt etwa 20 Gew.% Platin, etwa 4 Gew.% Chrom, etwa 25 Gew.% Aluminium und etwa 3 Gew.% Silicium ein. Die Lagen 14 und 16 sind die Nickel- und Bakelit-Lage, die in der metallographischen Herstellung des Probekörpers verwendet werden.
BEISPIEL 2
Beschichtung von Platin-Silicium/Aluminiumlegierung/Aluminiummetall
Ein Mar-M247-Probekörper auf Nickelbasis wurde in einer Zusammensetzung eines elektrophoretischen Bades eingehängt. Die Zusammensetzung des Elektrophoresebades enthielt 30 g/ml einer Mischung von 60 Gew.% Platin-Silicium-Legierung (90:10 Platin:Silicium), 30 Gew.% einer Aluminium-Chrom-Legierung (70:30 Aluminium:Chrom) und 10 Gew.% Aluminiumpulver suspendiert in einer Bindemittellösung als Träger, die 60 Gew.% Isopropanol, 40 Gew.% Nitromethan, Zein (2,0 bis 3,0 g/l) und Cobaltnitrat-hexahydrat (0,1 bis 0,2 g/l) enthielt. Der Probekörper wurde ungefähr im gleichen Abstand zwischen den zwei Anodenstreifen eingehängt. Zwischen dem Substrat (Kathode) und den Anoden wurde ein elektrischer Strom von 5,5 mA bei 62 Volt für etwa 2 Minuten angelegt. Während dieser Zeitdauer wurde eine rohe Beschichtungszusammensetzung, die das Platin-Silicium-Legierungspulver aufwies, die Aluminium-Chrom-Legierung und das Aluminiummetall, als eine gleichförmige Beschichtung auf dem Substrat-Probekörper abgeschieden. Der beschichtete Probekörper wurde aus dem Bad entnommen und luftgetrocknet, um restliches Lösemittel zu entfernen.
Das getrocknete, beschichtete Substrat wurde sodann im Vakuum unter Anwendung einer Vordiffusionswärmebehandlung bei etwa 1100°F für etwa 1 Stunde erhitzt, anschließend für eine erste Behandlung bei etwa 1225°F für etwa 1 Stunde gehalten und sodann für eine zweite Wärmebehandlung bei etwa 1925°F für etwa 6 Stunden gehalten. Die Temperatur und die Zeitdauer für die Diffusionswärmebehandlungen wurden so gewählt, dass die aufgetragene rohe Beschichtung unter Erzeugung einer flüssigen Übergangsphase schmelzflüssig wurde, die die Substratoberfläche gleichmäßig und gleichförmig bedeckte. Nachdem das beschichtete Substrat einer Diffusionswärmebehandlung unterzogen worden war, wurde der Probekörper auf Raumtemperatur abgekühlt. Der Probekörper wurde sodann durch leichtes Trockenhonen zur Entfernung des nichtdiffundierten restlichen Biskuits gereinigt.
In 3 ist ein gescanntes Bild einer Mikrophotographie des diffusionsbeschichteten, mit Platin angereicherten Aluminid-Probekörpers dargestellt. Das auf Nickel basierende Legierungssubstrat 20 wurde mit einer Platin-Silicium angereicherten Aliminid-Diffusionsbeschichtung 22 beschichtet. Im Allgemeinen verfügt die diffundierte Beschichtungszusammensetzung über ähnliche Mengen an Platin, Aluminium, Chrom und Silicium wie in Beispiel 1. Zur Herstellung der Probe für die Photographie wurden wie in 2 die metallographischen Nickel- und Bakelit-Lagen 24 bzw. 26 verwendet.
BEISPIEL 3
Platin-Silicium/Aluminium-Legierungsbeschichtung
Ein als Mar-M247 bezeichneter Probekörper auf Basis einer Nickellegierung wurde durch Trockenhonen mit Aluminiumoxid einer Körnung von 220 gereinigt. Eine Aufschlämmung der Beschichtungszusammensetzung, die etwa 1 g/ml einer Mischung von 60 Gew.% Platin-Silicium-Vorlegietrungspulver (90:10; Pt:Si) und 40 Gew.% einer Aluminiumlegierung (41:39:20; Al:Cr:Mn) und Zein (0,03 g/ml) aufwies, wurde in einer Bindemittellösung suspendiert, die etwa 60 ± 5 Gew.% Isopropanol und etwa 40 ± 5 Gew.% Nitromethan aufwies. Nachdem die rohe Beschichtungszusammensetzung auf dem Probekörper aufgestrichen worden war, wurde der Probekörper luftgetrocknet, um das restliche Lösemittel abzudampfen. Der beschichtete Probekörper wurde im Vakuum bis zu einer ersten Haltetemperatur von etwa 1500°F für 1 Stunde erhitzt und danach bis zu einer zweiten Haltetemperatur von etwa 2000°F für 2 Stunden erhitzt, um die diffundierte Plantin-Aluminid-Beschichtung zu erzeugen.
Der beschichtete Probekörper wurde aus dem Ofen entnommen und auf Raumtemperatur abkühlen gelassen. Der beschichtete Coupon wurde durch Trockenhonen mit Aliminiumoxid einer Körnung von 220 leicht gereinigt.
4 zeigt ein zweites gescanntes Bild einer Mikrophotographie der diffundierten Platin-Aluminid-Beschichtung von Beispiel 3. Wie aus der Figur entnommen werden kann, hat die diffundierte Aluminid-Beschichtung im typischen Fall eine Dicke von etwa 1,5 bis 2,0 mil. Die diffundierte Beschichtungszusammensetzung enthält etwa 1 Gew.% Mangan zusätzlich zu Platin, Aluminium, Chrom und Silicium. In das Legierungssubstrat 30 auf Nickelbasis ist eine diffundierte Platin-Aluminid-Beschichtung 32 einbezogen, die weitgehend als eine einzige Lage ausgebildet ist. Die Lagen 34 und 36 sind die Nickel- und Bakelit-Lage, die in der metallographischen Herstellung des Probekörpers verwendet wurden.
BEISPIEL 4
Erzeugung einer modifizierten Aluminid-Beschichtung unter Anwendung einer dreistufigen sequentiellen Wärmediffusionsbehandlung
Ein Stift aus einer Legierung auf Nickelbasis (Mar-M247) wurde zur Diffusionsbeschichtung vorbereitet und unter Verwendung eines Elektrophoresebades entsprechend der Beschreibung im Beispiel 2 beschichtet, indem ein Elektrophoresebad benutzt wurde, das eine Mischung von 50 Gew.% einer Platin-Silicium-Legierung (90:10; Pt:Si) enthielt, 35 Gew.% einer Aluminium-Chrom-Mangan-Legierung (41:39:20; Aluminium:Chrom:Mangan) und 15 Gew.% Aluminiummetall.
Der rohbeschichtete Stift wurde unter Vakuum bis zu einer Temperatur von etwa 1100°F für etwa 1 Stunde erhitzt und sodann bis zu einer Temperatur von etwa 1225°F für etwa 1 Stunde und danach bis zu einer Temperatur von etwa 1925°F für etwa 6 Stunden.
Die resultierende, diffundierte Beschichtungszusammensetzung auf dem Nickellegierungsstift hatte eine mittlere Beschichtungsdicke von etwa 2,5 bis 3,0 mil und zeigte die charakteristische porenfreie Schicht einer optimalen Platin-Aluminid-Diffusionsbeschichtung. Bin gescanntes Bild einer Mikrophotographie der mit Platin-Silicium-Mangan angereicherten Aluminid-Beschichtung auf einem Stift ist in 5 dargestellt. Das Legierungssubstrat auf Nickelbasis 40 enthielt eine Platin-Aluminid-Beschichtung 42, die aus einer weitgehend einzigen Lage erzeugt war. Die Lagen 44 und 46 sind die in der metallographischen Bearbeitung des Stiftes verwendeten Nickel- und Bakelit-Lagen.
BEISPIEL 5
Platin-Silicium/Aluminium-Beschichtung
Es wurde ein Probekörper auf Basis einer Nickellegierung durch Trockenhonen mit Aluminiumoxid einer Körnung von 220 gereinigt. In einer Bindemittellösung als Träger, die etwa 60% ± 5 Gew.% Isopropanol und etwa 40% ± 5 Gew.% Nitromethan aufwies, wurde eine Aufschlämmung einer Beschichtungszusammensetzung suspendiert, die etwa 1 g/ml einer Mischung von 70 Gew.% Platin-Silicium-Vorlegierungspulver (90:10; Pt:Si) und 30 Gew.% Aluminium und Zein (0,03 g/ml) aufwies. Nachdem die hohe Beschichtungszusammensetzung auf den Probekörper aufgestrichen worden war, wurde der Probekörper luftgetrocknet, um das restliche Lösemittel abzudampfen. Der beschichtete Probekörper wurde im Vakuum bis zu einer ersten Haltetemperatur von etwa 1225°F für 1 Stunde erhitzt und danach bis zu einer zweiten Haltetemperatur von etwa 2000°F für 2 Stunden erhitzt, um die diffundierte Platin-Aluminid-Beschichtung zu erzeugen.
Der beschichtete Probekörper wurde aus dem Ofen entnommen und auf Raumtemperatur abkühlen gelassen. Der beschichtete Probekörper wurde leicht durch Trockenhonen mit Aluminiumoxid einer Körnung von 220 gereinigt.
6 zeigt ein gescanntes Bild einer Mikrophotographie der einstufig diffundierten Platin-Aluminid-Beschichtung von Beispiel 5. Wie aus der Figur entnommen werden kann, hat die diffundierte, Platin-Silicium angereicherte Aluminiumbeschichtung eine typische Dicke von etwa 3,5 mil. Das Legierungssubstrat 50 auf Nickelbasis enthielt eine diffundierte Platin-Aluminid-Beschichtung 52, die als eine weitgehend einzelne Schicht erzeugt wurde und in die mehrfache Zonen und eine Diffusionszone einbezogen waren. Die Lagen 54 und 56 sind die Nickel- und Bakelit-Lage, die in der metallographischen Bearbeitung des Probekörpers verwendet wurden.
BEISPIEL 6
Dynamischer Oxidationstest
Es wurde ein dynamischer Oxidationstest an Stiften ausgeführt, die am Mar-M247-Legierungen erzeugt waren und die mit den entsprechend den Beispielen 2 und 4 erzeugten erfindungsgemäßen Platin-Aluminid-Beschichtungen beschichtet waren. Bei dem dynamischen Oxidationstest handelt es sich um einen zyklischen Test, worin eine Flamme aus brennendem JP-5-Kraftstoff mit einer Geschwindigkeit von ungefähr 0,3 Mach auf ein rotierendes Karussell auftraf, das die beschichteten Stifte enthielt. Die Gastemperatur wurde mit 2100°F gemessen. Die beschichteten Stifte wurden an der Flamme für 55 Minuten exponiert und anschließend durch Zurückziehen aus der Flamme für 5 Minuten gekühlt, d. h. ein Testzyklus dauerte 1 Stunde. Eine Möglichkeit zur Bewertung der Wirksamkeit der Beschichtung ist die Kontrolle der Gewichtsveränderung pro Flächeneinheit, die an der Flamme exponiert war, als Funktion der Zeit. Typischerweise hatten die Testproben zu Beginn infolge der Oxidbildung eine Gewichtszunahme. Im Laufe der Wechselbehandlung der Proben wurde das ursprünglich erzeugte Oxid dicker und platzte möglicherweise ab, und es bildete sich zusätzliches Oxid. Dieses Abplatzen und Erzeugen setzte sich solange fort, bis mehr Oxid abplatzte, als ersetzt wurde. Die Proben änderten weiterhin ihr Gewicht und ab einer gewissen Stelle war die Nettogewichtsänderung negativ, d. h. das Gewicht der Stifte war kleiner als ihr Anfangsgewicht. Der Schutz gegenüber Oxidation wird zu diesem Zeitpunkt vermindert. Unter Umständen wird die Oxidationsgeschwindigkeit übermäßig hoch und die Beschichtung wirkt nicht mehr länger schützend. Wie aus 7 entnommen werden kann, ist die Nettogewichtsänderung für blanken Mar-M247-Stift negativ, wenn er für weniger als 100 Stunden im dynamischen Oxidationstest exponiert ist. Allerdings zeigten die mit den erfindungsgemäßen Platin-Aluminid-Beschichtungen beschichteten Stifte keine negative Nettogewichtsänderung selbst dann, wenn sie dem dynamischen Oxidationstest für mehr als 400 Stunden exponiert waren.
BEISPIEL 7
Erfindungsgemäße Platin-Aluminid-Beschichtungen auf Turbinenteilen
Es wurden entsprechend Beispiel 2 und 4 zwei erfindungsgemäße Platin-Alunimid-Beschichtungen hergestellt. Diese Beschichtungen wurden erfolgreich sowohl auf eine unverstärkte (Mar-M247)-Turbinenschaufel aufgebracht als auch auf eine verstärkte (IN-738)-Turbinenschaufel aufgebracht. Die auf diese Weise erzeugten Beschichtungen hatten eine gleichförmige Dicke und einschließlich entlang der Kantenversiegelungen an der verstärkten Schaufel. Die Beschichtungen hatten ähnliche Mikrostrukturen wie diejenigen, die auf Stiften und Probekörpern beobachtet wurden, die in den Beispielen 2 und 4 hergestellt wurden. Dieses demonstriert die besonders brauchbare Qualität der vorliegenden Erfindung. Traditionelle Verfahren zum Erzeugen von Platin-Aluminid-Beschichtungen unter Anwendung von Methoden des Elektroplattierens liefern oftmals Bereiche von Beschichtungen mit ungleichförmiger Dicke. Die führenden Kanten an Schaufeln sind spezielle Bereiche, die oftmals eine Bildung von Beschichtungen ungleichmäßiger Dicke infolge hoher Stromdichten an den Kanten zeigen. Im typischen Fall sind spezielle zusätzliche Aufspannungen erforderlich, um die Unterschiede in den Stromdichten zu kompensieren, die während der Platin-Plattierung auftreten.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird dieses Problem umgangen, da elektrophoretisch aufgebrachte Beschichtungen zum Selbstebnen neigen, wobei die in der vorliegenden Erfindung entwickelten Zusammensetzungen aus einem neuartigen Prozess resultieren, wo die Dicke der diffundierten Beschichtung von der Zeit und der Temperatur der Wärmebehandlung abhängig ist und weniger von dem Auftragsgewicht der rohen Beschichtung. 8 ist eine schematische Darstellung (teilweise im gebrochenen Schnitt und im Schnitt) für eine typische Turbinenschaufel, die eine Beschichtung aus der erfindungsgemäßen diffundierten Platin-Aluminid-Beschichtung aufweist. In dieser Figur gehört zur Turbinenschaufel 10 ein Körperabschnitt am einer Nickel- oder Cobaltlegierung 12, der mit einer Aluminid-Diffusionsbeschichtung 14 versehen ist, wie sie in der vorliegenden Patentbeschreibung ausgeführt wurde. Zum Zwecke der Veranschaulichung ist die Dicke der Beschichtung 14 in 8 übertrieben und die eigentliche Dicke in der Größenordnung einiger Tausendstel eines Inch entsprechend der vorstehenden Beschreibung. In der Regel ist es unerwünscht, die erfindungsgemäße Beschichtung über dem Befestigungsabschnitt 16 der Schaufel 10 bereitzustellen.
Es gilt als mit einbezogen, dass die in der vorliegenden Erfindung ausgeführten Verfahren verändert, neu angeordnet, ergänzt, weggelasen, dupliziert, vereint oder zu anderen Prozessen hinzugefügt werden können, wie es dem Fachmann auf dem Gebiet offensichtlich erscheint, ohne vom Grundsatz der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Darüber hinaus können die verschiedenen Stufen, Schritte, Prozeduren, Methoden, Phasen und Verfahrensschritte im Rahmen dieser Verfahren verändert, neu angeordnet, ergänzt, weggelassen, dupliziert oder vereint werden, wie es dem Fachmann auf dem Gebiet als offensichtlich erscheint. Alle Veröffentlichungen, Patentschriften und Patentanmeldungen, die in der vorliegenden Patentbeschreibung genannt wurden, sind hiermit als Fundstelle einbezogen, als wäre jede einzelne Veröffentlichung, Patentschrift oder Patentanmeldung speziell und einzeln als einbezogen im Sinne einer Fundstelle genannt worden und hier in ihrer Gesamtheit bekannt gemacht worden.
Obgleich die Erfindung detailliert in den Zeichnungen und der vorangegangenen Beschreibung veranschaulicht und beschrieben worden ist, ist dieses als veranschaulichend und nicht im Charakter einschränkend auszulegen, wobei als selbstverständlich gilt, das lediglich bevorzugte Ausführungsformen gezeigt und beschrieben worden sind und dass alle Änderungen und Modifikationen, die im Schutzumfang der Erfindung liegen, als geschützt in Betracht zu ziehen sind.

Claims

Verfahren zum Erzeugen einer Edelmetall-Aluminid-Diffusionsbeschichtung auf einem metallischen Substrat, welches Verfahren umfasst: Aufbringen einer pulverförmigen Metallbeschichtungszusammensetzung, die ein Edelmetall-Silicium-enthaltendes Pulver und eine pulverförmige, aluminiumhaltige Komponente aufweist, auf ein metallisches Substrat zur Erzeugung eines mit Metallpulver beschichteten Substrats; Erhitzen des mit Metallpulver beschichteten Substrats bis zu einer Temperatur und für eine Zeitdauer, die ausreichend sind, um eine flüssige Übergangsphase auf der Oberfläche des beschichteten Substrats zu erzeugen; sowie anschließend Erhitzen des Substrats mit der flüssigen Übergangsphase darauf bis zu einer Temperatur und für eine Zeitdauer, die ausreichend sind, um auf dem Substrat eine Edelmetall-Aluminid-Diffusionsbeschichtung zu erzeugen.
Verfahren zum Erzeugen einer Edelmetall-Aluminid-Diffusionsbeschichtung auf einem metallischen Substrat, welches Verfahren umfasst: (a) Aufbringen einer pulverförmigen Metallbeschichtungszusammensetzung, aufweisend 40% bis 80 Gew.% (bezogen auf das Gewicht des gesamten aufgebrachten Metallpulvers) eines Edelmetall-enthaltenden Pulvers und 20% bis 60 Gew.% (bezogen auf das Gewicht des gesamten aufgebrachten Metallpulvers) einer pulverförmigen aluminiumhaltigen Komponente, auf ein metallisches Substrat zur Erzeugung eines mit Metallpulver beschichteten Substrats; (b) Erhitzen des mit Metallpulver beschichteten Substrats bis zu einer Temperatur zwischen 593°C (1100°F) und 760°C (1400°F) für eine Zeitdauer zwischen 0,25 und zwei Stunden, die ausreichend sind zur Erzeugung einer flüssigen Übergangsphase auf der Oberfläche des beschichteten Substrats; und anschließend (c) Erhitzen des Substrats mit der flüssigen Übergangsphase darauf bis zu einer Temperatur und für eine Zeitdauer, die ausreichend sind zur Erzeugung einer Edelmetall-Aluminid-Diffusionsbeschichtung auf dem Substrat.
Verfahren zum Erzeugen einer Edelmetall-Aluminid-Diffusionsbeschichtung auf einem metallischen Substrat, welches Verfahren umfasst: (a) Aufbringen einer pulverförmigen Metallbeschichtungszusammensetzung, die 40% bis 80 Gew.% (bezogen auf des Gewicht des gesamten aufgebrachten Metallpulvers) eines Edelmetall-enthaltenden Pulvers und 20% bis 60 Gew.% (bezogen auf das Gewicht des gesamten aufgebrachten Metallpulvers) einer pulverförmigen, aluminiumhaltigen Komponente, die 35% bis 45% Aluminium aufweist, 35% bis 45% Chrom und 10% bis 30% Mangan, auf ein metallisches Substrat zur Erzeugung eines mit Metallpulver beschichteten Substrats; (b) Erhitzen des mit Metallpulver beschichteten Substrats bis zu einer Temperatur und für eine Zeitdauer, die ausreichend sind zur Erzeugung einer flüssigen Übergangsphase auf der Oberfläche des beschichteten Substrats; und anschließend (c) Erhitzen des Substrats mit der flüssigen Übergangsphase darauf bis zu einer Temperatur und für eine Zeitdauer, die ausreichend sind zur Erzeugung einer Edelmetall-Aluminid-Diffusionsbeschichtung auf dem Substrat.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Edelmetall ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus: Platin, Palladium, Ruthenium, Rhodium oder Mischungen davon.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die pulverförmige Metallbeschichtungszusammensetzung bis zu 5% eines Vertreters aufweist, der ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus: Hafnium, Yttrium, Lanthan und Mischungen davon.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die aluminiumhaltige Komponente im Wesentlichen besteht aus 95% bis 100% Aluminium.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, umfassend eine zusätzliche aluminiumhaltige Komponente, die im Wesentlichen besteht aus 95% bis 100% Aluminium.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3 mit im Wesentlichen mehr als 85% Platin und bis zu 15% Silicium.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die pulverförmige aluminiumhaltige Komponente im Wesentlichen besteht aus 50% bis 75% Aluminium und 25% bis 50% Chrom.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die pulverförmige aluminiumhaltige Komponente im Wesentlichen besteht aus 35% bis 45% Aluminium, 35% bis 45% Chrom und 10% bis 30% Mangan.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Metallpulverzusammensetzung mit Hilfe eines Trägers aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Edelmetall-Silicium-enthaltende Pulver ein Pulver einer Metalllegierung oder einer Vorlegierung ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die pulverförmige, aluminiumhaltige Komponente ein Pulver einer Metalllegierung oder einer Vorlegierung aufweist.