DE69110267T2 - Aluminosilikatbeschichtungen zum Schutz von Gammatitanaluminiden. - Google Patents
Aluminosilikatbeschichtungen zum Schutz von Gammatitanaluminiden.Info
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Description
- Die Erfindung bezieht sich auf den Schutz von Gamma- Titan-Aluminid-Legierungsstrukturen und insbesondere auf Schutzüberzüge für solche Strukturen.
- Die intermetallische Titanaiuminide sind attraktiv für die Verwendung in fortgeschrittenen strukturellen Anwendungen wie z.B. Flugzeugsystemen, da sie eine zweckmäßige Kombination einer geringen Dichte und einer Hochtemperaturfestigkeit bieten. Bei hohen Temperaturen besitzen Titan-Aluminide jedoch eine sehr eingeschränkte Verwendung infolge ihres schlechten Oxidationswiderstands.
- US-Patent 4 369 233 von Teunis van Schaik mit dem Titel "Process to Apply a Protecting Silicon Containing Coating On Specimen Produced From Superalloys and Product" zeigt einen korrosionswiderstehenden Überzug zur Verwendung auf einem Superlegierungssubstrat (eine auf Nickel basierende Legierung). Der Siliziumüberzug ist aus Ti&sub6; Si&sub7; Ni&sub1;&sub6; aufgebaut. Die Ti-Schicht wird angebracht durch Ionen-Plattieren. Es wird in die Superlegierung diffundiert und eine Si-Schicht wird durch einen Einkapselüberzugvorgang aufgebracht.
- Das US-Patent Nr. 2 467 114 von A.J. Deyrup mit dem Titel "Vitreous Coatings for Light Metals" zeigt die Verwendung eines Überzugs, der hauptsächlich aus PbO, SiO&sub2; und Li&sub2;O aufgebaut ist und zwar auf Aluminium und aluminiumreichen Legierungen.
- US-Patent Nr. 3 698 943 von W.R. Colantuono mit dem Titel "Protective Coating" zeigt die Verwendung eines Schutzüberzugs für Werkstücke aus heißem Metall, insbesondere Stähle für Hochgeschwindigkeitswerkzeuge. Der Überzug besteht aus Natriumborat, Silica und einem viskositätsfördernden Agenz oder Mittel wie z.B. Aluminumoxid.
- Das Grundziel der vorliegenden Erfindung bezieht sich auf das Schützen von Gamma-Titan-Aluminid-Legierungswerkstücken gegenüber Temperaturoxidation.
- Ein weiteres Ziel der Erfindung liegt in dem Vorsehen eines leichtgewichtigen, schützenden Oberflächenüberzugs für Hochtemperatur-Gamma-Titan-Aluminid-Legierungen.
- Ein weiteres Ziel der Erfindung liegt in dem Vorsehen eines schützenden Überzugs für Gamma-Titan-Aluminid-Legierungen, die den notwendigen Schutz gegenüber Zundern und Entkohlung bei den hohen Temperaturen, die bei der Barrenherstellung auftreten und trotzdem an dem Werkstück bei den wesentlich geringeren Temperaturen der Rohlinge haften und zwar zu dem Zeitpunkt, wenn der Überzug angelegt wird. Die folgende Erfindung zum Schützen eines Gamma-Titan-Aluminid-Legierungswerkstücks bzw. einer Probe, die einer Hochtemperaturoxidation ausgesetzt ist, weist das Anlegen eines Aluminosilikatglasüberzuges auf einer Oberfläche des Gamma-Titan-Aluminidwerkstücks auf. Das überzogene Werkstück wird auf eine Temperatur in einem Bereich von 1.177 - 1.232º C (2.150 - 2.250ºF) erwärmt und zwar für eine ausreichende Zeitperiode, um eine Silizitgrenzschicht zwischen der Legierung und deni Glasüberzug zu bilden.
- Der Glasüberzug ist vorzugsweise eine Zusammensetzung, die SiO&sub2; aufweist und zwar mit einem Gewichtsprozentsatz von 60 bis 65 und Al&sub2;O&sub3; in einem Gewichtsprozentsatz von 16 bis 20. Der Glasüberzug hat eine minimale Oxidierung zur Folge.
- Weitere Ziele, Vorteile und neue Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden detaillierten Beschreibung der Erfindung in Verbindung mit der Zeichnung.
- Die einzige Figur ist ein Graph der Gewichtszunahme, abhängig von der Zeit für ein Testwerkstück bzw. eine Testprobe, die mit Glas überzogen ist und zwar gemäß der vorliegenden Erfindung und thermisch zyklischen Hochtemperaturbedingungen ausgesetzt ist.
- In der Praxis der vorliegenden Erfindung weist der Glasüberzug eine Zusammensetzung mit Aluminosilikat auf. Silica (SiO&sub2;) ist vorzugsweise in dem Überzug enthalten und zwar in dem Bereich von 60 bis 65 Gewichtsprozent. Aluminiumoxid (Al&sub2;O&sub3;) ist vorhanden und zwar vorzugsweise in dem Bereich von 16 bis 20 Gewichtsprozent. Borsäure (B&sub2;O&sub3;), Natriumoxid (Na&sub2;O), Magnesiumoxid (MgO), und Calziumoxid (CaO) sehen vorzugsweise den Rest des Glasüberzugs vor. Somit kann der bevorzugte Zusammensetzungsbereich wie folgt ausgedrückt werden: Gewichtsprozent
- Die optimale Zusammensetzung kann wie folgt ausgedrückt werden : Gewichtsprozent
- Der vorliegende Glasüberzug wird vorzugsweise durch herkömmliche Airbrush-Techniken aufgebracht. Dies wird bevorzugt, da es skalierbar und kosteneffizient ist. Der Überzug kann jedoch durch irgendein anderes, geeignetes Verfahren wie z.B. Plasmasprühen oder Solgelverfahren angelegt werden. Der Aluminosilikatglasüberzug wird auf eine Dicke von 1,27 x 10&supmin;³ cm bis 5,08 x 10&supmin;³ cm (0,5 mils bis 2 mils) angelegt und bevorzugt mit ungefähr 1,27 x 10&supmin;³ cm (0,5 mils).
- Es ist notwendig, daß das überzogene Werkstück bzw. die Probe für eine ausreichende Zeitperiode erwärmt wird, um eine Silizitgrenzschicht zwischen der Legierung und dem Glasüberzug zu bilden. Um eine adäquate Grenzschicht zu bilden, sollte das Werkstück auf eine Temperatur in einem Bereich zwischen 1.177 bis 1.232 º C (2.150 bis 2.250 º F) erwärmt werden.
- Der Glasüberzug wird vorzugsweise für ein Minimum von ungefähr 10 Minuten erwärmt (der Bereich ist typischerweise zwischen 10 bis 20 Minuten). Hochtemperaturvorgänge benötigen eine kurze Zeitperiode während niedrigere Temperaturen eine längere Zeitperiode benötigen. Die resultierende Grenzschicht bleibt nach zyklischer Oxidation unverändert.
- Ein Titan-Aluminid-Werkstück von 1 cm im Quadrat wurde mechanisch gesäubert. Ein Glasüberzug wurde durch Luftbürsten (air-brushing) angelegt.
- Das Titan-Aluminid-Werkstück hatte die folgende Komposition bzw. Zusammensetzung: In Atomprozent
- Das überzogene Werkstück wurde bei 1.177 º C (2.150 º F) für 10 Minuten gehalten, um eine kohärente und kontinuierliche Schicht zu erhalten. Das Oxidationsexperiment wurde dann unter thermisch-zyklischen Bedingungen (2 Stunden bei 982 º C (1.800 º F) - 2 Stunden bei Raumtemperatur) durchgeführt.
- Die Gewichtszunahme oder der -verlust wurde überwacht. Ein nicht überzogenes Titan-Aluminid-Werkstück war denselben thermisch-zyklischen Bedingungen ausgesetzt. Wie in der Figur gezeigt ist, zeigte das Werkstück mit dem Glasüberzug im wesentlichen keine Gewichtsveränderung, während das nicht überzogene Werkstück einen wesentlichen Gewichtsverlust aufwies. Eine Untersuchung des überzogenen Werkstücks durch Scan-Elektronenmikroskopie (scanning electron microscopy = SEM) zeigte die Bildung einer Silizitgrenzschicht zwischen dem Überzug und dem Titan- Aluminid während der Verarbeitung, die unverändert blieb nach der zyklischen Oxidation. Keine Brüche oder Risse wurden in dem Überzug oder nach den thermisch-zyklischen Bedingungen beobachtet, wenn sie durch SEM untersucht wurden.
- Natürlich sind viele Modifikationen und Variationen der vorliegenden Erfindung im Lichte der obigen Lehre möglich. Es sei daher bemerkt, daß innerhalb des Umfangs der beigefügten Ansprüche die Erfindung in anderer Weise ausgeführt werden kann, wie hier speziell beschrieben.
Claims (9)
1. Verfahren zum Schützen eines Gamma-Titan-Aluminium-
Legierungsspezimens bzw. Probe, das einer
Hochtemperaturoxidierung ausgesetzt ist, wobei das Verfahren die
folgenden Schritte aufweist:
(a) Anlegen eines Aluminosilikatglasüberzuges auf
einer Oberfläche des Gamma-Titan-Aluminiumspezimens; und
(b) Erwärmen des überzogenen Spezimens auf eine
Temperatur in einem Bereich von 1177 - 1232ºC (2150
- 2250ºF) und zwar für eine ausreichende Zeitperiode, um
eine Silizitgrenzschicht zwischen der Legierung und dem
Glasüberzug zu bilden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des
Anlegens das Luftbürsten (air brushing) des Überzugs auf
dein Spezimen aufweist.
3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Glasüberzug
gebildet ist aus einer Komposition bestehend aus:
Gewichtsprozent
4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Komposition
folgendes aufweist:
Gewichtsprozent
5. Verfahren zum Bilden eines eine geringe Dichte
aufweisenden, hochtemperaturfesten, strukturellen Bauteils,
wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:
(a) Vorsehen eines Gamma-Titan-Aluminium-
Legierungsspezimens;
(b) Anlegen eines Aluminosilikatglasüberzugs auf
einer Oberfläche des Gamma-Titan-Aluminium-
Legierungsspezimens; und
(c) Erwärmen des überzogenen Spezimens auf eine
Temperatur in einem Bereich von 1177 - 1232ºC (2150
- 2250ºF) und zwar für eine ausreichende Zeitperiode, um
eine Silizitgrenzschicht zwischen der Legierung und dem
Überzug zu bilden.
6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei der Schritt des
Anlegens das Luftbürsten (air brushing) des Überzugs auf
dein Spezimen aufweist.
7. Verfahren nach Anspruch 5, wobei der Glasüberzug aus
einer Komposition gebildet ist, die aus folgendem
besteht:
Gewichtsprozent
8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Komposition
folgendes aufweist:
Gewichtsprozent
9. Intermetallisches, eine geringe Dichte aufweisendes,
hochfestes, strukturelles Bauteil, das folgendes
aufweist:
(a) ein Gamma-Titan-Aluminium-Legierungssubstrat;
und
(b) ein Aluminosilikatglasüberzug, der auf dem
Substrat ausgebildet ist.
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