DE3742944C1 - Oxidationsschutzschicht - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Oxidationsschutzschicht
gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Titanlegierungen sind wegen ihres günstigen Festigkeits-/Gewichtsverhältnisses
wichtige Konstruktionswerkstoffe, die jedoch nur bis zu Temperaturen
von ca. 550°C eingesetzt werden können, da wegen der Sauerstoffaffinität
der Titanlegierungen oberhalb dieser Temperatur Sauerstoff
in die oberflächennahen Bereiche der Bauteile einzudiffundieren
beginnt, wodurch die Bauteile an diesen Stellen spröde werden. Da Aluminium
als Legierungselement in Titan die Sauerstoffaufnahme verzögert,
wurde versucht, Aluminium in den oberflächennahen Bereich der Bauteile
einzubringen um Schutzschichten zu erzeugen, wobei sich die Diffusionsbeschichtung,
auch Alitierung genannt, besonders wirtschaftlich erwies.
Die bisher bekannten Verfahren bzw. Schichtsysteme haben
jedoch folgende Nachteile: Die durch Alitierung gebildete
Schutzschicht oxidiert bei höheren Temperaturen. Von den
beiden Metallen Ti und Al, die im wesentlichen die Schutzschicht
bilden, hat Aluminium eine höhere Affinität zu Sauerstoff
als Titan. Deshalb bildet sich unter oxidierenden Bedingungen
an der Schutzschichtoberfläche Aluminiumoxid Al₂O₃.
Die sich bildende Al₂O₃-Schicht hat praktisch keine Bindung
zur Ti-Al-Schutzschicht und platzt bei mechanischer Belastung,
z. B. durch Wärmedehnung bei Temperaturwechseln, leicht ab, wodurch
sich an den freigelegten Stellen sofort neues Aluminiumoxid
bildet. Die Folge ist, daß der Aluminiumgehalt der
Schutzschicht unter oxidierenden Bedingungen ständig vermindert
wird, was zu einer Verringerung der Schichtdicke und Verminderung
der Schutzwirkung führt. Da Ti-Al-Schutzschichten
ferner spröde sind, müssen sie aus Festigkeitsgründen so dünn
wie möglich hergestellt werden. Der Verbrauch der Schutzschicht
durch Oxidation erfordert aber dickere Schichten als
sonst erforderlich wäre. Zudem führen ständiges Abplatzen und
Neubilden von Al₂O₃ zu einer Verminderung der Oberflächengüte
(= Erhöhung der Rauhigkeit), was bei aerodynamischen Profilen
wie Verdichterschaufeln Wirkungsgradverluste bedeutet.
Aus der US-PS 35 94 219 ist ein Beschichtungsverfahren für
Superlegierungen bekannt geworden, bei dem Niob in Form einer
eutektischen Legierung auf das Substrat aufgebracht und in
einer nachfolgenden Wärmebehandlung aufgeschmolzen wird.
Nachteilig bei diesem Verfahren ist, daß die Erstellung
einer eutektischen Legierung von Niob mit dem Substratwerkstoff
aufwendig herzustellen ist und eine erhebliche Schichtdicke
aufzubringen ist, um die Schutzwirkungen zu erzielen.
Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde,
eine aluminiumhaltige Oxidations-Schutzschicht für Titan bzw.
Titanlegierungen anzugeben, bei der Schichtverbrauch und Aufrauhung
durch Oxidation vermindert bzw. verhindert wird.
Weiterhin soll die Beschichtung mit geringem Verfahrensaufwand
erfolgen und die erzielbare Schicht bei geringem
Schichtverbrauch gut haften.
Die Lösung der gestellten Aufgabe ergibt sich erfindungsgemäß
aus dem Kennzeichnungsteil des Patentanspruchs 1.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich
aus den Unteransprüchen.
Das erfindungsgemäße Verfahren bringt folgende Vorteile
mit sich:
Das Element Niob (Nb) wird durch Diffusion in die Randzone
des Bauteils eingebracht und wird zusammen mit Titan und
Aluminium Bestandteil der Schutzschicht. Dadurch wird der
Schichtverbrauch des derart beschichteten Bauteils unter
Betriebsbedingungen, insbesondere unter oxidierenden Bedingungen
bei Temperaturen oberhalb 550°C stark reduziert.
Dies führt dazu, daß vorteilhafterweise die beschichteten
Bauteile länger ohne Überholung im Betrieb gehalten werden
können, d. h. die Laufzeiten werden erhöht.
Weiterhin findet nur eine geringe Aufrauhung der Schicht statt
und damit sinken die Strömungsverluste, was beispielsweise
bei Turboschaufeln zu höheren Wirkungsgraden führt. Die Schichtstärke
beträgt weniger als 3 µm was neben einer Kostenreduzierung
eine höhere Festigkeit der Schicht bewirkt. Schließlich sinkt
die Ausfallwahrscheinlichkeit infolge des Schichtverbrauches.
Die Aufbringung des Niobs auf das Substrat kann mittels Vakuumbedampfen,
Galvanisieren oder Aufstäuben erfolgen. Dadurch
läßt sich vorteilhafterweise eine genaue Dosierung des erforderlichen
Niobs bei gleichmäßiger Verteilung auf der Bauteiloberfläche
erzielen. Dies ermöglicht ferner eine einfache Durchführung
des Beschichtungsvorganges. Insbesondere kann für
verschiedene Titanlegierungen das gleiche Beschichtungsmaterial
verwendet werden.
In weiterer vorteilhafter Ausbildung der Erfindung wird einer
zur Alitierung benötigten Pulverpackung 3 bis 15 Gew.% Niob
zugegeben. Dadurch wird eine hohe Verfahrenökonomität gewährleistet,
da kein weiterer Verfahrensschritt zur Niobaufbringung
erforderlich ist.
Vorzugsweise ist dabei Niob als Legierungsbestandteil eines der in der
Pulverpackung vorgesehenen Elemente, beispielsweise des Aluminiums
vorgesehen, wodurch vorteilhafterweise konstante Mengenverhältnisse des
Niobs in die Bauteiloberfläche eingebracht werden.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand zweier Ausführungsbeispiele weiter
erläutert.
Eine Pulverpackung mit folgender Zusammensetzung wird vorbereitet:
80 Gew.-% Al₂O₃ (Füllstoff)
8 Gew.-% Al-Pulver (Donator)
8 Gew.-% Nb-Pulver (Donator)
4 Gew.-% AlF₃ (Aktivator)
8 Gew.-% Al-Pulver (Donator)
8 Gew.-% Nb-Pulver (Donator)
4 Gew.-% AlF₃ (Aktivator)
Das zu beschichtende Bauteil wird in die Pulverpackung eingebettet und
in einen Ofen gebracht. Bei einer Glühtemperatur von 800°C unter einer
Atmosphäre gereinigten Argons wird der in Pulver eingebettete Gegenstand
8 Stunden geglüht.
In einem ersten Verfahrensschritt wird eine Schicht von 1 µm Niob auf
die Bauteiloberfläche unter Hochvakuum aufgedampft. Anschließend wird
eine Diffusionsglühung bei 1100°C im Vakuumofen für 2 Stunden durchgeführt.
Hierbei diffundiert das Niob in die Oberfläche des Bauteils ein.
Anschließend wird in einem dritten Verfahrensschritt das Bauteil auf
übliche Weise alitiert. Dabei wird eine Pulverpackung folgender Zusammensetzung
verwendet.
88 Gew.-% Al₂O₃ (Füllstoff)
8 Gew.-% Al-Pulver (Donator)
4 Gew.-% AlF₃ (Aktivator)
8 Gew.-% Al-Pulver (Donator)
4 Gew.-% AlF₃ (Aktivator)
Bei einer Temperatur von 800°C unter Argonatmosphäre wird das Bauteil
8 Stunden geglüht.
Claims (4)
1. Verfahren zur Herstellung einer Oxidationsschutzschicht
auf Aluminium-Basis, die mittels Diffusionsbeschichtung
(Alitierung) auf thermisch hoch belasteten Titanlegierungsbauteilen
aufgebracht ist, dadurch gekennzeichnet,
daß vor oder während der Alitierung Niob
in einer Schichtdicke bis 3 µm auf die Bauteiloberfläche
aufgebracht wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Aufbringung mittels Vakuumbedampfen,
Galvanisieren oder Aufstäuben durchgeführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
einer zur Alitierung benötigten Pulverpackung 3 bis
15 Gew.-% Niob zugegeben wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß
Niob als Legierungsbestandteil eines der in der
Pulverpackung vorgesehenen Elemente verwendet wird.
Priority Applications (5)
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