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Diese Erfindung bezieht sich auf das Aufbringen einer Beschichtung auf eine Oberfläche und, im Besonderen, auf das Aufbringen einer solchen Beschichtung aus einer aluminiumhaltigen Aufschlämmung auf die internen Oberflächen einer Gasturbinenschaufel.
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Bei einem Flugzeug-Gasturbinen(Strahl)-Triebwerk wird Luft in das Vordere des Triebwerkes gesaugt, durch einen auf einer Welle montierten Verdichter komprimiert und mit Treibstoff vermischt. Das Gemisch wird verbrannt und die heißen Abgase werden durch eine Turbine geführt, die auf der gleichen Welle montiert ist. Die Strömung von Verbrennungsgas dreht die Turbine durch Auftreffen auf einen Schaufelblattabschnitt der Turbinen-Laufschaufeln und -Leitschaufeln, was die Welle dreht und dem Verdichter und Bläser Energie zuführt. In einer komplexeren Version des Gasturbinen-Triebwerkes sind der Verdichter und eine Hochdruck-Turbine auf einer Welle montiert und der Bläser und Niederdruckturbine sind auf einer separaten Welle montiert. In jedem Falle strömen die heißen Abgase aus dem rückwärtigen Teil des Triebwerkes, treiben es an und das Flugzeug vorwärts.
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Je heißer die Verbrennungs- und Abgase, desto effizienter ist der Betrieb des Strahltriebwerkes. Es gibt somit einen Anreiz, die Verbrennungs- und Abgas-Temperaturen zu erhöhen. Die Maximaltemperatur der Verbrennungsgase ist normalerweise durch die Materialien beschränkt, die zum Herstellen der Turbinen-Laufschaufeln und Turbinen-Leitschaufeln benutzt werden, auf die die heißen Verbrennungsgase auftreffen. In derzeitigen Triebwerken sind die Turbinen-Laufschaufeln und -Leitschaufeln aus Nickelbasis-Superlegierungen hergestellt und können bei Temperaturen von bis zu etwa 1038–1177°C (1900–2150°F) betrieben werden.
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Es wurden viele Wege genutzt, um die Grenzen der Betriebstemperatur der Flügelabschnitte von Turbinen-Laufschaufeln und -Leitschaufeln bis zu ihren derzeitigen Niveaus zu erhöhen. So wurden, z. B., die Zusammensetzung und Verarbeitung der Grundmaterialien selbst verbessert und eine Vielfalt von Erstarrungstechniken wurde entwickelt, um Vorteile aus orientierten Kornstrukturen und Einkristall-Strukturen zu ziehen.
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Auch können physikalische Kühltechniken benutzt werden. Bei einer Technik sind interne Kühldurchgänge im Inneren des Turbinenschaufelblattes vorhanden. Es wird Luft durch die Kühldurchgänge und aus den Öffnungen aus der äußeren Oberfläche des Schaufelblattes gedrückt, was Wärme aus dem Inneren des Schaufelblattes abführt und, in einigen Fällen, eine Grenzschicht kühlerer Luft an der Oberfläche des Schaufelblattes schafft.
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Die Oberflächen der internen Kühldurchgänge können mit einem Diffusionsaluminid-Überzug geschützt werden, der zu einer Aluminiumoxid-Schutzhaut oxidiert, die weitere Oxidation der internen Oberflächen verhindert. Eine Anzahl von Techniken zum Aufbringen des internen Diffusionsaluminid-Überzuges ist bekannt, einschließlich chemischer Dampfabscheidung, Dampfphasen-Aluminieren und die Über-Kopf-Techniken (above-the-pack-techniques). Diese Verfahren haben den Nachteil, dass sie auch andere freiliegende Oberflächen beschichten. Oberflächen, die nicht beschichtet werden sollen, können manchmal durch Maskieren geschützt werden, doch mag das Maskieren unter vielen Umständen nicht praktisch sein.
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Bei einer anderen Technik wird eine Aufschlämmungsbeschichtung, die eine Quelle von Aluminium und andere Komponenten enthält, auf die interne Oberfläche aufgebracht. Die Aufschlämmungsbeschichtung wird chemisch umgesetzt, um Aluminium auf der internen Oberfläche abzuscheiden. Das Aufschlämmungsbeschichten hat den Vorteil, dass das räumliche Ausmaß der aluminiumhaltigen Beschichtung auf spezifische Bereiche, wie die internen Oberflächen, begrenzt werden kann. Existierende Aufschlämmungsbeschichtungs-Techniken haben jedoch den Nachteil, dass sie eine unerwünschte Verunreinigung auf der Schaufel in Form von Zersetzungs-Nebenprodukten zurücklassen.
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US-A-5 366 765 offenbart in wässeriges Aufschlämmungsverfahren zum Herstellen eines Diffusionsaluminid-Schutzüberzuges auf internen Durchgängen in Superlegierungs-Gegenständen. Teilchenmaterialien werden trocken mit einem organischen Verdicker vermischt, um eine gleichmäßige Teilchenverteilung und das Aufbrechen des Verdickers in kleine Teilchen zur besseren Auflösung sicherzustellen. US-A-5 366 765 benutzte A15C, eine Form von Methylcellulose, hergestellt durch die Dow Chemical Company, Midland, Michigan, als den Verdicker, doch können viele andere Verbindungen auf Zellulosegrundlage mit gleichem Erfolg eingesetzt werden. Der organische Verdicker erfüllt eine Anzahl von Schlüsselanforderungen. Vorhergehende Untersuchungen einer Aufschlämmung, die unter Einsatz von Kelzan
®, als dem organischen Binder, hergestellt wurde, zeigen, dass die Aufschlämmung eine längere Lagerzeit hat und weniger wahrscheinlich einer Reaktion zwischen freiem Aluminium und Wasser unterliegt. Die Menge des eingesetzten organischen Verdickers muss ausreichen, um eine Beschichtungs-Viskosität bei Raumtemperatur im Bereich von etwa 100 bis 1000 Centipoise zu erzeugen. Dies ist eine Viskosität der Größenordnung, die in Melassen oder Honig ebenfalls bei Raumtemperatur beobachtet wird und ergibt eine Aufschlämmung, die leicht unter mäßigem Druck in die Durchgänge injiziert werden kann, die jedoch nicht leicht aus den Durchgängen herausfließt. Gleichzeitig ist die Aufschlämmung flüssig genug, um sicherzustellen, dass beim Füllen des hohlen Gegenstandes keine Blasen zurückbleiben. Dies erfolgt durch Drücken der Aufschlämmung derart, dass sie immer nach oben fließt während die den Hohlraum füllt, wobei die Schwerkraft das vollständige Füllen aller Teile des Hohlraumes sicherstellt.
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Es gibt daher einen Bedarf an einem verbesserten Herangehen zum Abscheiden von aluminiumhaltigen Beschichtungen auf spezifischen Bereichen von Oberflächen, insbesondere den internen Oberflächen von Gegenständen, wie Gasturbinenschaufeln. Die vorliegende Erfindung erfüllt diesen Bedarf und bietet weitere verwandte Vorteile.
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Die vorliegende Erfindung schafft ein Herangehen zum Beschichten von Oberflächen von Gegenständen mit einer aluminiumhaltigen Beschichtung auf Aufschlämmungsgrundlage. Es ist besonders gut geeignet zum Überziehen der internen Oberflächen von Gegenständen, wie der internen Oberflächen der Durchgänge innerhalb hohler Schaufelblätter von Gasturbinen-Laufschaufeln und -Leitschaufeln. Das vorliegende Herangehen hat die Vorteile konventioneller Aufschlämmungsbeschichtungs-Verfahren. Zusätzlich ist die Aufschlämmung dahingehend formuliert, dass die Entfernung restlichen überschüssigen Beschichtungsmaterials von den Oberflächen nach der Beschichtungsprozedur erleichtert.
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US-A-5 952 057 offenbart ein Verfahren zum Legieren von Verbindungen in ein metallisches Substrat, umfassend das Beschichten einer Oberfläche des metallischen Substrates mit einer einfach und wirtschaftlich hergestellten Mischung, umfassend eine pulverisierte Silikatmineral-Komponente (z. B. Montmorillonit, Bentonit usw.), eine pulverisierte metallische Verbindung (z. B. Al) und eine flüssige Komponente, die in der Lage ist, eine Dispersion der pulverisierten Silikatmineral-Komponente und der pulverisierten metallischen Verbindung darin zu unterstützen.
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Die Silikatmineral-Komponenten sind durch eine Fähigkeit charakterisiert, ein Mikron- oder „gelartiges” Medium zu erzeugen, wenn sie mit einer flüssigen Komponente kombiniert werden, um eine Dispersion der metallischen Verbindung zu unterstützen.
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FR-A-885585 offenbart ein Verfahren zum Diffusionsbeschichten metallischer Substrate, umfassend ein Aufbringen einer Mischung von Metallen (z. B. Al) und Oxiden auf die Oberfläche des Substrates und Erhitzen der festen oder teilweise flüssigen Mischung. Die Mischung kann Bentonit und oder Ton enthalten.
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Gemäß der Erfindung wird ein Verfahren zum Beschichten geschaffen, umfassend die Stufen des Bereitstellens eines Gegenstandes mit einer zu beschichtenden Gegenstandsoberfläche und Bereitstellen einer Beschichtungsaufschlämmung, umfassend eine Mischung einer Trägerkomponente, umfassend Wasser und einen anorganischen Gelbildner, eine Quelle von Aluminium, wahlweise einen Halogenid-Aktivator und ein Oxid-Dispersionsmittel. Der anorganische Gelbildner ist ein quellender Ton, der aus der Gruppe ausgewählt ist, zu der ein Hektoritton und ein Bentonitton gehören. Die Beschichtungsaufschlämmung wird auf die Gegenstandsoberfläche aufgebracht und danach auf der Gegenstandsoberfläche getrocknet, um Wasser daraus zu entfernen. Die Stufe des Trocknens wird vorzugsweise durch Erhitzen der Beschichtungsaufschlämmung auf der Gegenstandsoberfläche auf ein Temperatur von etwa 82°C (180°F) bis etwa 510°C (950°F), am bevorzugtesten von etwa 82°C (180°F) bis etwa 121°C (250°F) in Luft für eine Zeit von etwa 2 bis etwa 48 Stunden bewerkstelligt. Das Verfahren schließt weiter das Erhitzen der Gegenstandsoberfläche mit der getrockneten Beschichtungsaufschlämmung darauf zur Bildung einer Aluminiumbeschichtung ein, die an die Gegenstandsoberfläche gebunden ist. Das Erhitzen wird vorzugsweise durch Erhitzen auf eine Temperatur von etwa 927°C (1700°F) bis etwa 1149°C (2100°F) für eine Zeit von etwa 1 bis etwa 18 Stunden in einer inerten oder reduzierenden Atmosphäre bewerkstelligt. Wahlweise, aber erwünscht, wird danach das überschüssige Beschichtungsmaterial von der Gegenstandsoberfläche entfernt.
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Der Gegenstand ist vorzugsweise ein Schaufelblatt einer Gasturbinen-Laufschaufel oder -Leitschaufel. In einem Falle ist das Schaufelblatt hohl mit durchgehenden internen Durchgängen. Die Stufe des Aufbringens erfolgt durch Injizieren der Beschichtungsaufschlämmung in den und Füllen des internen Durchganges des Gegenstandes.
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Die Quelle von Aluminium ist vorzugsweise Aluminium, eine Chrom-Aluminium-Legierung, eine Kobalt-Aluminium-Legierung, eine Titan-Aluminium-Legierung, eine Eisen-Aluminium-Legierung, eine Aluminium-Vanadium-Legierung, eine Aluminium-Mangan-Legierung oder Mischungen davon. Der Halogenid-Aktivator, wenn er benutzt wird, ist vorzugsweise AlF3, NH4F, AlCl3, NH4Cl, CrCl3, CrCl2, NaCl, FeCl2, FeCl3, CrF2, CrF3 oder Mischungen davon. Das Oxid-Dispersionsmittel ist vorzugsweise Aluminiumoxid, doch können andere Oxide, wie Yttriumoxid, Zirkoniumdioxid, Chromoxid und Hafniumdioxid oder Mischungen davon benutzt werden.
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Vorzugsweise ist die Quelle von Aluminium von etwa 1 bis etwa 50 Gewichtsprozent (Gew.-%) des Gesamtgewichtes der Quelle von Aluminium, des Halogenid-Aktivators und des Oxid-Dispersionsmittels; der Halogenid-Aktivator ist von etwa 0,5 bis etwa 10 Gew.-% des Gesamtgewichtes der Quelle von Aluminium, des Halogenid-Aktivators und des Oxid-Dispersionsmittels und das Oxid-Dispersionsmittel ist von etwa 50 bis etwa 99 Gew.-% des Gesamtgewichtes der Quelle von Aluminium, des Halogenid-Aktivators und des Oxid-Dispersionsmittels. Am bevorzugtesten ist die Quelle von Aluminium eine Kobalt-Aluminium-Legierung mit etwa 50 Gew.-% Kobalt, Rest Aluminium, die in einer Menge von etwa 28 bis etwa 35 Gew.-% des Gesamtgewichtes der Quelle von Aluminium, des Halogenid-Aktivators und des Oxid-Dispersionsmittels vorhanden ist. Am bevorzugtesten ist der Halogenid-Aktivator AlF3, das in einer Menge von etwa 4 bis etwa 6 Gew.-% des Gesamtgewichtes der Quelle von Aluminium, des Halogenid-Aktivators und des Oxid-Dispersionsmittels vorhanden ist. Der anorganische Gelbildner ist von etwa 1 bis etwa 6 Gew.-% des Gesamtgewichtes des Wassers und des anorganischen Gelbildners. Die Quelle von Aluminium, der Halogenid-Aktivator und das Oxid-Dispersionsmittel bilden zusammen etwa 30 bis etwa 70 Gew.-% der Mischung der Trägerkomponente, der Quelle von Aluminium, des Halogenid-Aktivators und des Oxid-Dispersionsmittels.
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Die Erfindung wird nun detaillierter beispielhaft unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben, in der:
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1 eine perspektivische Ansicht einer Turbinenschaufel ist;
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2 eine vergrößerte schematische Schnittansicht durch die Turbinenschaufel von 1 entlang der Linie 2-2 ist; und
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3 ein Block-Fließdiagramm eines Verfahrens zum Herstellen einer intern beschichteten Gasturbinen-Schaufel ist.
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1 zeigt einen Komponenten-Gegenstand eines Gasturbinen-Triebwerkes, wie einer Turbinen-Laufschaufel oder Turbinen-Leitschaufel und in dieser Darstellung eine Turbinen-Laufschaufel 20. Die Turbinenschaufel 20 ist aus irgendeinem einsatzfähigen Material gebildet, doch ist sie vorzugsweise eine Nickelbasis-Superlegierung. Die Turbinenschaufel 20 schließt einen Schaufelblattabschnitt 22 ein, gegen den die Strömung heißen Abgases gerichtet ist. (Die Turbinen-Leitschaufel hat ein ähnliches Aussehen mit Bezug auf den in Frage kommenden Schaufelblattabschnitt, doch schließt sie typischerweise andere Endstruktur ein, um das Schaufelblatt abzustützen). Die Turbinen-Laufschaufel 20 ist an einer (nicht gezeigten) Turbinenscheibe mittels eines Schwalbenschwanzes 24 montiert, der sich vom Schaufelblatt 22 aus nach unten erstreckt und in einen Schlitz der Turbinenscheibe eingreift. Eine Plattform 26 erstreckt sich längs nach außen von dem Bereich, an dem das Schaufelblatt 22 mit dem Schwalbenschwanz 24 verbunden ist. Eine Anzahl interner Durchgänge erstreckt sich durch das Innere des Schaufelblattes 22 und endet in Öffnungen 28 an der Oberfläche des Schaufelblattes 22. während des Betriebes wird eine Strömung von Kühlluft durch die internen Durchgänge gerichtet, um die Temperatur des Schaufelblattes 22 zu verringern. Das Schaufelblatt 22 kann als ein Wurzelende 30, benachbart dem Schwalbenschwanz 24 und ein gegenüber angeordnetes Spitzenende 32, entfernt vom Schwalbenschwanz 24, aufweisend beschrieben werden.
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2 ist ein Längsschnitt durch das Schaufelblatt 22, der einen der internen Durchgänge 34 zeigt, der sich durch das Innere des Schaufelblattes 22 erstreckt. Der interne Durchgang 34 hat eine interne Schaufelblatt-Oberfläche 36 und es gibt auch eine externe Schaufelblatt-Oberfläche 38 des metallischen Abschnittes des Schaufelblattes 22.
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Eine Diffusionsaluminid-Schutzregion 40 ist an der internen Schaufelblatt-Oberfläche 36 vorhanden. Das Diffusionsaluminid ist gebildet durch Abscheiden eines aluminiumhaltigen Überzuges auf der internen Schaufelblatt-Oberfläche 36, sodass ein Körper des Schaufelblattes 22 als ein Substrat 42 dient. Das Aluminium wird mit dem Material des Substrates 42 gegenseitig diffundiert, um die mit Aluminium angereicherte Schutzregion 40 zu bilden, die unterhalb der internen Schaufelblatt-Oberfläche 36 liegt. Die Diffusionsaluminid-Schutzregion 40 hat eine Zusammensetzung, bei der die Aluminiumkonzentration nahe der internen Schaufelblatt-Oberfläche 36 am höchsten ist und die Aluminiumkonzentration mit zunehmendem Abstand von der internen Schaufelblatt-Oberfläche 36 in das Substrat 42 hinein abnimmt. Die Diffusionsaluminid-Schutzregion 40 hat typischerweise eine Dicke von etwa 0,0127 mm (0,0005 inch) bis etwa 0,127 mm (0,005 inch). Wird sie der oxidierenden Umgebung hoher Temperatur ausgesetzt, dann oxidiert die an Aluminium angereicherte Region an der internen Schaufelblatt-Oberfläche 36 unter Bildung einer stark haftenden Aluminiumoxid(Al2O3)-Schutzhaut an der internen Schaufelblatt-Oberfläche 36 und verhindert und verlangsamt weitere Oxidations-Beschädigung. Reaktionsfähige und Aluminid modifizierende edle Elemente, wie Hafnium, Zirkonium, Yttrium, Silicium, Titan, Tantal, Wolfram, Molybdän, Rhenium, Ruthenium, Kobalt, Chrom, Platin und Palladium und deren Kombinationen können wahlweise in der Diffusionsaluminid-Schutzregion 40 vorhanden sein. Ein Decküberzug, wie er als Nächstes diskutiert und auf die externe Schaufelblatt-Oberfläche 38 aufgebracht ist, wird auf der internen Schaufelblatt-Oberfläche 36 nicht benutzt.
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Die externe Schaufelblatt-Oberfläche 38 kann auch geschützt werden und 2 veranschaulicht eine Art des Herangehens. Ein Schutzüberzug 44 liegt auf der externen Schaufelblatt-Oberfläche 38 und steht in Kontakt damit. Der Schutzüberzug 44 hat eine Schutzschicht 46, die auf der externen Schaufelblatt-Oberfläche 38 liegt und in Kontakt damit steht. Die Schutzschicht 46 ist vorzugsweise aus einem Diffusionsaluminid oder einer Deckzusammensetzung gebildet. Wird es eingesetzt, dann kann das Diffusionsaluminid ein einfaches Diffusionsaluminid der oben diskutierten Art oder ein modifiziertes Diffusionsaluminid, wie ein Platinaluminid, sein. Solche Überzüge sind im Stande der Technik für den Fall externer Schutzschichten 46 bekannt. Wird er eingesetzt, dann ist der Deckschutzüberzug vorzugsweise vom MCrAlX-Typ. Die Terminologie „MCrAlX” ist ein abgekürzter Begriff des Standes der Technik für eine Vielfalt von Familien von Deckschutzüberzügen 46, die als Umweltüberzüge oder Bindeüberzüge in thermischen Sperrüberzugs-Systemen eingesetzt werden können. In dieser und anderen Formen bezieht sich M auf Nickel, Kobalt, Eisen und deren Kombinationen. In einigen dieser Schutzüberzüge kann das Chrom weggelassen werden. Das X bezeichnet Elemente, wie Hafnium, Zirkonium, Yttrium, Tantal, Rhenium, Ruthenium, Palladium, Platin, Silicium, Titan, Bor, Kohlenstoff und deren Kombinationen. Spezifische Zusammensetzungen sind im Stande der Technik bekannt. Einige Beispiele von MCrAlX-Zusammensetzungen schließen, z. B., NiAlCrZr und NiAlZr ein, doch soll diese Liste von Beispielen nicht als begrenzend angesehen werden. Die Schutzschicht 46 ist von etwa 0,0127 mm (0,0005 inch) bis etwa 0,254 mm (0,010 inch) dick. Solche Schutzschichten 48 sind im Stande der Technik allgemein bekannt.
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Wahlweise liegt eine Keramikschicht 48 auf der Schutzschicht 46 und steht mit dieser in Kontakt. Die Keramikschicht 48 ist vorzugsweise Yttriumoxid-stabilisiertes Zirkoniumdioxid, was Zirkoniumoxid ist, das von etwa 2 bis etwa 12 Gew.-%, vorzugsweise von etwa 3 bis etwa 8 Gew.-%, Yttriumoxid enthält. Die Keramikschicht 48 hat typischerweise eine Dicke von 0,0762 mm (0,003 inch) bis etwa 0,254 mm (0,010 inch). Andere brauchbare Keramikmaterialien können ebenfalls eingesetzt werden. Ist keine Keramikschicht 48 vorhanden, dann wird die Schutzschicht 46 als ein „Umweltüberzug” bezeichnet. Ist eine Keramikschicht 48 vorhanden, dann wird die Schutzschicht 46 als „Bindeüberzug” bezeichnet.
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3 zeigt ein bevorzugtes Herangehen zum Ausführen des vorliegenden Verfahrens. Ein Gegenstand wird geschaffen, Bezugsziffer 60, in diesem Falle ein Schaufelblattabschnitt 22, wie er bei der Turbinen-Laufschaufel 20 oder einer Turbinen-Leitschaufel gefunden wird.
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Es wird eine Überzugs-Aufschlämmung bereitgestellt, Bezugsziffer 62. Die Überzugs-Aufschlämmung schließt eine Trägerkomponente und eine Mischung von Pulvern ein. Die Trägerkomponente schließt Wasser und einen anorganischen Gelbildner ein. Eine geringe Menge der sehr und vollständig flüchtigen organischen Verbindung, wie eines Alkohols, kann mit dem Wasser vermischt werden, um das Verdampfen des Wassers in einer späteren Stufe zu unterstützen. Der anorganische Gelbildner ist ein quellender Ton, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus einem Hektoritton und einem Bentonitton. Hektoritton ist der wirksamste Gelbildner, da er etwa bis zum 24fachen seines ursprünglichen Gewichtes an Wasser absorbiert, und er ist gegenüber Bentonitton bevorzugt, der bis zum etwa 16fachen seines ursprünglichen Gewichtes an Wasser absorbiert. Hektoritton ist ein NaMgLi-Silikatton, dessen Teilchen typischerweise die Form vergrößerter Plättchen haben, die nominelle Abmessungen von etwa 0,8 mal etwa 0,08 mal etwa 0,001 μm aufweisen. Der bevorzugteste Ton zum Einsatz bei dem vorliegenden Herangehen ist Bentone® AD Ton, der ein Hektoritton ist, der von Rheox Inc., Hightstown, NJ. erhältlich ist. Bentone® MA Ton, ebenfalls erhältlich von Rheox Inc., kann benutzt werden, doch ist er etwas grober als der Bentone® AD Ton, mit dem Ergebnis, dass der Bentone® AD Ton bessere dem Absetzen entgegenwirkende Eigenschaften hat und ein besserer Gelbildner ist. In der zweiten Klasse bevorzugter Tone ist Bentonitton ein NaAlMg-Silikatton, dessen Teilchen typischerweise in Form quadratischer Plättchen vorliegen, die nominelle Abmessungen von etwa 0,8 mal etwa 0,8 mal etwa 0,001 μm aufweisen.
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Der anorganische Gelbildner beträgt vorzugsweise von etwa 1 bis etwa 6 (am bevorzugtesten 4) Gew.-% des Gesamtgewichtes des Wassers und des anorganischen Gelbildners. Der anorganische Gelbildner wird mit dem Wasser zur Bildung der Trägerkomponente vermischt. Das Mischen erfolgt unter Einsatz eines stark scherenden oder eine hohe Geschwindigkeit aufweisenden Mischers, wie eines konventionellen Haushaltmischers.
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Eine „Feststoff”-Komponente schließt eine pulverisierte Quelle von Aluminium ein, wahlweise einen pulverisierten Halogenid-Aktivator, und ein pulverisiertes Oxid-Dispersionsmittel. (Diese Bestandteile werden als „Feststoff”-Komponente bezeichnet, obwohl der anorganische Gelbildner auch ein Feststoff ist und in der Trägerkomponente vorhanden ist). Die Quelle von Aluminium ist vorzugsweise Aluminium, eine Chrom-Aluminium-Legierung, eine Kobalt-Aluminium-Legierung, eine Titan-Aluminium-Legierung, eine Eisen-Aluminium-Legierung, eine Aluminium-Vanadium-Legierung, eine Aluminium-Mangan-Legierung oder Mischungen davon. Eine Kobalt-Aluminium-Legierung, die etwa 50 Gew.-% Kobalt, Rest Aluminium aufweist, ist bevorzugt. Das Überziehen kann ohne den Gebrauch eines Halogenid-Aktivators ausgeführt werden, wenn ein genügend hohes Niveau (etwa 50 bis 80 Gew.-%, der Feststoff-Komponente) der Quelle von Aluminium benutzt wird. Der Einsatz des Halogenid-Aktivators ist jedoch bevorzugt, sowohl weil die Quelle von Aluminium in einer geringeren Konzentration vorhanden sein kann und weil der Halogenid-Aktivator bei der nachfolgenden Reinigungsstufe zur Entfernung überschüssigen Überzugsmaterials unterstützt. Der Halogenid-Aktivator, wenn er eingesetzt wird, ist vorzugsweise AlF3, NH4F, AlCl3, NH4Cl, CrCl3, CrCl2, NaCl, FeCl2, FeCl3, CrF2, CrF3 oder Mischungen davon. AlF3 ist bevorzugt. Das Oxid-Dispersionsmittel ist vorzugsweise Aluminiumoxid, Al2O3, doch können statt dessen auch andere Oxide, wie Yttriumoxid, Zirkoniumdioxid, Chromoxid und Hafniumdioxid, eingesetzt werden. Die bevorzugte Maschengröße der Feststoffkomponente beträgt von etwa 150 Maschen bis etwa 325 Maschen. Die Quelle von Aluminium beträgt vorzugsweise von etwa 1 bis etwa 50, bevorzugter von etwa 28 bis etwa 35 und am bevorzugtesten etwa 30 Gew.-% des Gesamtgewichtes der Quelle von Aluminium, des Halogenid-Aktivators und des Oxid-Dispersionsmittels; der Halogenid-Aktivator beträgt von etwa 0,5 bis etwa 10, bevorzugter von etwa 2 bis etwa 6 und am bevorzugtesten etwa 5 Gew.-% des Gesamtgewichtes der Quelle von Aluminium, des Halogenid-Aktivators und des Oxid-Dispersionsmittels und das Oxid-Dispersionsmittels beträgt von etwa 50 bis etwa 99 Gew.-% des Gesamtgewichtes der Quelle von Aluminium, des Halogenid-Aktivators und des Oxid-Dispersionsmittels.
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Die Träger-Komponente und die Feststoff-Komponente werden miteinander unter Bildung der Überzugs-Aufschlämmung vermischt. Die Quelle von Aluminium, der Halogenid-Aktivator und das Oxid-Dispersionsmittels zusammengenommen machen von etwa 30 bis etwa 70, bevorzugter etwa 40 Gew.-% der gesamten Mischung der Träger-Komponente, der Quelle von Aluminium, des Halogenid-Aktivators und des Oxid-Dispersionsmittels aus. Die Quelle von Aluminium, der Halogenid-Aktivator und das Oxid-Dispersionsmittels werden in einem Mischer vermischt und dann wird diese Feststoff-Komponente mit einem Spatel von Hand in die Träger-Komponente eingemischt.
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Die Überzugs-Aufschlämmung wird auf die interessierende Gegenstandsoberfläche aufgebracht, Bezugsziffer 64. Im bevorzugten Falle, wenn die Aufschlämmung auf die internen Schaufelblatt-Oberflächen 36 der internen Durchgänge 34 aufgebracht wird, wird die Aufschlämmung mit einer Spritze und einer Pumpe in die internen Durchgänge 34 injiziert.
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Die auf die Oberfläche aufgebrachte Überzugs-Aufschlämmung wird getrocknet, Bezugsziffer 66. In einem bevorzugten Falle erfolgt die Trocknungsstufe 66 durch Erhitzen der Überzugs-Aufschlämmung auf der Gegenstands-Oberfläche auf eine Temperatur von etwa 82°C (180°F) bis etwa 510°C (950°F) in Luft für eine Dauer von etwa 2 bis etwa 48 Stunden. Das Trocknen verdampft das Wasser der Überzugs-Aufschlämmung. Eine geringe Menge eines Verdampfungs-Hilfsmittels, eines Alkohols, kann zu dem Wasser hinzugegeben werden, um die Verdampfung zu unterstützen. Das Verdampfungs-Hilfsmittel verdampft vollständig und lässt keinen organischen Rest in dem getrockneten Überzug zurück.
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Die getrocknete Überzugs-Aufschlämmung wird erhitzt, um einen aluminiumhaltigen Überzug auf der Oberfläche des Gegenstandes abzuscheiden, Bezugsziffer 68. Diese Heizstufe erfolgt vorzugsweise bei einer Temperatur von etwa 927°C (1700°F) bis etwa 1149°C (2100°F) für eine Dauer von etwa 1 bis etwa 16 Stunden in einer inerten (z. B. Argon) oder reduzierenden (z. B. Wasserstoff) Atmosphäre. Der Gegenstand wird während dieser Stufe erwünschter Maßen gegen Oxidation durch Restsauerstoff und Wasserdampf geschützt. Es ist bevorzugt, den Gegenstand in Nickelfolie oder eine andere Folie, wie aus korrosionsbeständigem Stahl, Werkzeugstahl, Tantal oder Nickelbasis-Superlegierung, einzuwickeln, um diesen Schutz bereitzustellen. In dieser Heizstufe wird aluminiumhaltiger Dampf durch die Quelle von Aluminium und dem Halogenid-Aktivator erzeugt. Der aluminiumhaltige Dampf scheidet sich auf der Oberfläche ab und bildet einen aluminiumhaltigen Überzug. Der überzogene Gegenstand wird danach auf Raumtemperatur abgekühlt.
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Das Resultat der Heizstufe 68 ist die Gegenstands-Oberfläche mit der aluminiumhaltigen Schicht 40. Die aluminiumhaltige Schicht 40 erfährt während der Heizstufe 68 eine teilweise Interdiffusion in das Substrat 42.
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Zusätzlich gibt es einen Rest auf der Oberfläche, weil nur etwa 5–10% des ursprünglichen Feststoffpulvers umgesetzt sind. Der Rest schließt unumgesetzte Aluminiumquelle und Halogenid-Aktivator, das Oxid-Dispersionsmittel und den übrigen anorganischen Gelbildner ein. Dieses überschüssige Überzugsmaterial wird vorzugsweise entfernt, Bezugsziffer 70. Die Entfernung erfolgt, selbst wenn es sich in einem internen Durchgang befindet, durch Blasen mit Hochdruckluft oder fließendem Hochdruckwasser.
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Irgendwelche anderen Überzüge werden aufgebracht, Bezugsziffer 72. Im Falle des Turbinen-Schaufelblattes kann ein Überzug, wie der Überzug 44, oder ein thermischer Sperrüberzug, über der äußeren Schaufelblatt-Oberfläche 38 aufgebracht werden. Irgendein ausführbares Verfahren für den ausgewählten externen Überzug kann benutzt werden und Stufe 72 kann folgen, vorausgehen oder gleichzeitig mit Stufe 68 ausgeführt werden. Bei dem bevorzugten Herangehen, dessen Resultat in 2 veranschaulicht ist, wird der Schutzüberzug 44 über der externen Schaufelblatt-Oberfläche 38 und mit dieser in Kontakt stehend abgeschieden. Der Schutzüberzug 44 schließt die Schutzschicht 46 ein, die auf der externen Schaufelblatt-Oberfläche 38 abgeschieden ist. Die Schutzschicht 46 ist vorzugsweise vom MCrAlX-Typ. Die Schutzschicht 46 wird mittels irgendeiner ausführbaren Technik abgeschieden, wie physikalische Dampfabscheidung (z. B. Zerstäuben, Kathoden-Lichtbogen, Elektronenstrahl) oder durch thermisches Spritzen. Die Schutzschicht 46 hat vorzugsweise eine Dicke von etwa 0,0127 mm (0,0005 inch) bis etwa 0,254 mm (0,010 inch), am bevorzugtesten von etwa 0,0508 mm (0,002 inch) bis etwa 0,178 mm (0,007 inch).
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Der schützende Decküberzug schließt wahlweise die Keramikschicht 48 ein, die über der Schutzschicht 46 liegend und diese kontaktierend abgeschieden ist. Die Keramikschicht 48 hat vorzugsweise eine Dicke von etwa 0,0762 mm (0,003 inch) bis etwa 0,254 mm (0,010 inch), am bevorzugtesten ist sie etwa 0,127 mm (0,005 inch) dick. (2 ist nicht maßstabgerecht). Die Keramikschicht 48 ist vorzugsweise Yttriumoxidstabilisiertes Zirkoniumdioxid, was Zirkoniumoxid ist, das von etwa 2 bis etwa 12 Gew.-%, vorzugsweise von etwa 3 bis etwa 8 Gew.-%, Yttriumoxid enthält. Andere brauchbare Keramikmaterialien können ebenso gut eingesetzt werden. Sie können nach irgendeiner ausführbaren Technik abgeschieden werden, wie physikalische Dampfabscheidung oder thermisches Spritzen.
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Das vorliegende Herangehen wurde in der Praxis ausgeführt.
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In einem ersten Beispiel wurde als eine Feststoff-Komponente eine Mischung von etwa 20 Gewichtsteilen einer Legierung aus Kobalt-50 Gew.-% Aluminium, etwa 5 Gewichtsteilen AlF3, Rest Aluminiumoxid, zubereitet. Eine Träger-Komponente von etwa 4 Gew.-5 Bentone® AD Ton in Wasser wurde zubereitet. Etwa 40 Gewichtsteile der Feststoff-Komponente und etwa 60 Gew.-% der Träger-Komponente wurden miteinander vermischt. Der Überzug wurde in die internen Durchgänge der Schaufelblätter von Hochdruckturbinen-Laufschaufeln injiziert. Die Schaufelblätter wurden in der oben beschriebenen Weise behandelt durch Trocknen in Luft bei 180°F für 24 Stunden und Erhitzen in Wasserstoff bei 1079°C (1975°F) für 4 Stunden. Die Überzugsdicke betrug etwa 0,0279 mm (0,0011 inch) und der Aluminiumgehalt wurde in den oberen 5 μm des Überzuges zu etwa 16 Gew.-% gemessen.
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Bei einem zweiten Beispiel wurde das gleiche Herangehen wie im ersten Beispiel angewandt mit der Ausnahme, dass die Kobalt-Aluminium-Legierung in der Feststoff-Komponente auf etwa 30 Gew.-% der Mischung erhöht wurde und die Überzugsdicke 0,0381 mm (0,0015 inches) betrug. In diesem Falle war der Aluminiumgehalt des Überzuges etwa 22 Gew.-%. Das zweite Herangehen ist aufgrund des höheren Aluminiumgehaltes des Überzuges bevorzugt.
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Insgesamt etwa 175 Hochdruckturbinen-Laufschaufeln wurden durch diese Art des Herangehens und Variationen davon zubereitet.
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Während die Quelle der Vorteile der vorliegenden Erfindung nicht sicher bekannt ist und die Ausführung der Erfindung ein solches Verstehen nicht erfordert, wird angenommen, dass ein Ursprung der Schwierigkeiten mit früheren Aufschlämmungs-Überzugstechniken die organischen Gel bildenden Materialien waren, die in der Aufschlämmung eingesetzt wurden. Die organischen Gel bildenden Materialien sind vorhanden, um die Aluminiumquelle, den Halogenid-Aktivator und das Oxid-Dispersionsmittels in der Träger-Komponente in Suspension zu halten. Die organischen Komponenten können während des Trocknens und/oder Erhitzens Verbrennungs-Nebenproduktdämpfe erzeugen, die zum Festhalten der Reaktionsreste auf der Oberfläche des Gegenstandes dienen können, um deren Entfernung nach der Hitzereaktionsstufe zu hemmen oder zu verhindern. Die Reaktionsprodukte können auch in unerwünschter Weise den Überzug verunreinigen.
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Das vorliegende Herangehen erzielt die Gel bildende Funktion unter Einsatz eines anorganischen Materials, das aus dem Hektoritton oder dem Bentonitton ausgewählt ist. Der Einsatz eines organischen Gel bildenden oder suspendierenden Mittels liegt nicht im Umfang der vorliegenden Erfindung. Bei dem vorliegenden Herangehen erzeugt der anorganische Ton in der Träger-Komponente die Gelcharakteristika, sodass die anderen Feststoffe in Suspension gehalten werden, während die Überzugs-Aufschlämmung auf die Gegenstands-Oberfläche aufgebracht wird. Es gibt keine organischen Dämpfe aus dem Gel bildenden Bestandteil. Der Einsatz von Ton hat den zusätzlichen Nutzen, dass Ton Wasser leichter während der Trockenstufe abgibt als ein organisches Material, sodass man ein vollständigeres und schnelleres Trocknen erzielt. Die vollständigere Beseitigung von Wasser ist sehr erwünscht, weil irgendein Rest Wasser das Aluminium in der Aluminiumquelle zu Aluminiumoxid oxidiert, was sein Sintern verursacht und das endgültige Entfernen des überschüssigen Überzugsmaterials nach der Reaktion verhindert. Die Anwesenheit von Wasser kann dadurch zur partiellen oder vollständigen Blockierung der Kühllöcher in dem Schaufelblatt durch Aluminiumoxid führen, und das Auftreten dieser unerwünschten Wirkung wird durch das vorliegende Herangehen vermindert.