DE3742944C1 - Oxidationsschutzschicht - Google Patents

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.

Beispiel 1

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)

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.

Beispiel 2:

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)

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.