CH698571B1 - Diffusionsbeschichtungsverfahren mit Bindemitteln zum Unterstützen von Beschichtungsgas. - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Patentanmeldung stellt verbesserte Diffusionsbeschichtungszusammensetzungen und verbesserte Verfahren zum Beschichten von Metalloberflächen bereit. Die Zusammensetzung umfasst (a) ein Beschichtungspulver; und (b) ein Bindemittel, wobei das Beschichtungspulver mindestens ein Metall umfasst und wobei das Bindemittel während der Verdampfung oder Verbrennung ein Aktivatorgas freisetzt. Das Verfahren umfasst die Schritte des (a) Bereitstellens eines Substrats; (b) Auftragens einer Diffusionsbeschichtungszusammensetzung auf mindestens einen Abschnitt des Substrats, wobei die Zusammensetzung ein Beschichtungspulver und ein Bindemittel umfasst und das Beschichtungspulver mindestens ein Metall umfasst; und (c) des Verdampfens oder Verbrennens von mindestens einem Teil der Zusammensetzung, um mindestens einen Teil des Bindemittels zu verdampfen oder zu verbrennen, um ein Aktivatorgas zu erzeugen und um mindestens einen Teil des Metalls zu verdampfen, um eine Beschichtung von dem Metall auf dem Substrat zu bilden.
Description
Technisches Gebiet
[0001] Die vorliegende Patentanmeldung betrifft Diffusionsbeschichtungsverfahren und betrifft insbesondere Diffusionsbeschichtungsverfahren zum Unterstützen der Beschichtung von inneren Oberflächen.
Allgemeiner Stand der Technik
[0002] Allgemein gesagt, sind innere Hohlräume von Turbinenbauteilen schwierig und/oder teuer zu beschichten. Diese inneren Hohlräume umfassen einen weiten Bereich von aufwändigen Oberflächen, auf welchen es schwierig ist, eine gleichmässige Beschichtungsdicke zu erzeugen, und von denen es schwierig ist, die während des Beschichtungsprozesses erzeugten Abfallstoffe zu entfernen. Unglücklicherweise sind Turbinenbauteile, die einem Betriebseinsatz ausgesetzt sind, sogar noch schwieriger zu beschichten als Bauteile des Originalausrüstungsherstellers (OEM), da diese Bauteile Oberflächen enthalten können, die unrein, teilweise oxidiert oder mit Beschichtungsrückständen bedeckt sind.
[0003] Derzeit existiert eine Vielzahl von Verfahren zum Beschichten von OEM-Turbinenbauteilen und von im Betriebseinsatz befindlichen Turbinenbauteilen. Ein Verfahren ist beispielsweise der relativ kostengünstige Packzementierungsprozess. Unglücklicherweise dürfte dieses Verfahren nicht in der Lage sein, eine gleichmässige Beschichtungsdicke auf komplexen Formen wie etwa enge innere Kühlbohrungen und Hohlräume, zu erzeugen. Darüber hinaus ist es schwierig, diese komplexen Formen nach dem Beschichtungsprozess wieder zu öffnen. Der Packzementierungsprozess führt zu Abfallstoffen wie etwa Pulverrückstände und Asche, die schwierig zu entfernen und zu entsorgen sind.
[0004] Ein anderes Verfahren zum Beschichten von Turbinenbauteilen ist die chemische Gasphasenabscheidung (CVD). Obwohl dieses Verfahren in der Lage sein dürfte, eine gleichmässige Beschichtungsdicke zu erzeugen, können der CVD-Prozess und die Ausrüstung unerschwinglich teuer werden.
[0005] Es ist deshalb der Erfindung die Aufgabe gestellt, ein Beschichtungsprozess, der eine gleichmässigere Beschichtungsdicke auf einer Vielzahl von Turbinenbauteilen bereitstellt. Der Beschichtungsprozess soll kostengünstig sein und/oder eine gleichmässige Beschichtungsdicke auf einer grossen Vielfalt von komplexen Geometrien bereitstellen, die teilweise oxidiert, unrein oder mit Beschichtungsrückständen bedeckt sind. Der Prozess soll ebenfalls für eine einfache Beschichtungseinspritzung sorgen, weniger Abfallstoffe erzeugen und/oder eine einfache und gleichmässige Entfernung von Abfallstoffen wie etwa Pulverrückstände und Asche ermöglichen.
Kurze Beschreibung der Erfindung
[0006] Die vorliegende Patentanmeldung stellt daher eine Diffusionsbeschichtungszusammensetzung und ein Verfahren zum Diffusionsbeschichten eines Turbinenbauteils bereit. Die Zusammensetzung weist (a) ein Beschichtungspulver und (b) ein Bindemittel auf, wobei das Beschichtungspulver mindestens ein Metall umfasst und wobei das Bindemittel ein Aktivatorgas während der Verdampfung oder Verbrennung freisetzt. Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf:
(a) Bereitstellen eines Substrats;
(b) Aufbringen einer Diffusionsbeschichtungszusammensetzung auf mindestens einen Teil des Substrats, wobei die Zusammensetzung ein Beschichtungspulver und ein Bindemittel umfasst und das Beschichtungsmittel mindestens ein Metall umfasst;
(c) Verdampfen oder Verbrennen von mindestens einem Teil der Zusammensetzung, um mindestens einen Teil des Bindemittels zu verdampfen oder zu verbrennen, um ein Aktivatorgas zu erzeugen, und um mindestens einen Teil des Metalls zu verdampfen, um eine Beschichtung von dem Metall auf dem Substrat zu bilden.
[0007] Diese und andere Merkmale der vorliegenden Patentanmeldung werden einem Durchschnittsfachmann nach Durchsicht der folgenden ausführlichen Beschreibung in Verbindung mit den angefügten Patentansprüchen deutlich werden.
Ausführliche Beschreibung der Erfindung
[0008] Die vorliegende Patentanmeldung stellt verbesserte Diffusionsbeschichtungszusammensetzungen und verbesserte Verfahren zur Diffusionsbeschichtung von Metalloberflächen bereit. Gemäss einer besonderen Ausführungsform stellt die vorliegende Erfindung Zusammensetzungen und Verfahren zum Diffusionsbeschichten von Gasturbinenbauteilen bereit.
[0009] In einer bestimmten Ausführungsform ist die Diffusionsbeschichtungszusammensetzung fliessfähig und weist (1) ein Beschichtungspulver auf, das ein Metall; und (2) ein Bindemittel umfasst. In einer anderen Ausführungsform weist die Zusammensetzung des Weiteren ein Additiv auf.
[0010] Gemäss bestimmter Ausführungsformen weist das Verfahren die folgenden Schritte auf: (a) Bereitstellen eines Substrats; (b) Aufbringen einer Diffusionsbeschichtungszusammensetzung auf mindestens einen Teil des Substrats, wobei die Zusammensetzung ein Beschichtungspulver und ein Bindemittel umfasst und das Beschichtungsmittel mindestens ein Metall umfasst; und (c) Verdampfen oder Verbrennen von mindestens einem Teil der Zusammensetzung, um mindestens einen Teil des Bindemittels zu verdampfen oder zu verbrennen, um ein Aktivatorgas zu erzeugen, und um mindestens einen Teil des Metalls zu verdampfen, um eine Beschichtung von dem Metall auf dem Substrat zu bilden. Das Verfahren weist ebenfalls den Schritt des (d) Entfernens eines Abfallstoffs von dem Turbinenbauteil auf.
[0011] Die Diffusionsbeschichtungszusammensetzung und der Diffusionsbeschichtungsprozess verbessert die Fähigkeit des Substrats, hohen Temperaturen zu widerstehen. Insbesondere bildet der Prozess eine chemisch gebundene Beschichtung, die die Beständigkeit des Substrats gegen Oxidation, Sulfidierung und/oder Korrosion verbessert. Die Diffusionsbeschichtung schützt das Substrat, indem eine Sperrschicht gegen die Diffusion von Fremdelementen in das Substrat gebildet wird.
Das Substrat
[0012] Die hier beschriebenen Zusammensetzungen und Verfahren sind für die Diffusionsbeschichtung von im Wesentlichen beliebigen Substraten zweckmässig. Die Zusammensetzungen und Verfahren sind besonders zweckmässig für die Diffusionsbeschichtung von Substraten, die unter harten Betriebsbedingungen eingesetzt werden. Das Substrat ist beispielsweise ein Gasturbinenbauteil, ein Energieerzeugungsbauteil oder ein Dieselmotorbauteil. In besonderen Ausführungsformen werden die Zusammensetzungen und Verfahren bei Substraten eingesetzt, die extrem hohen Betriebstemperaturen ausgesetzt sind. Die Zusammensetzungen und Verfahren werden beispielsweise bei Gasturbinenbauteilen, darunter Turbinenblätter, Schaufeln, Flügel, Gehäuse, Dichtungen, Düsen und Schutzplatten, eingesetzt. Substrate, die für das Beschichten mit den hier beschriebenen Zusammensetzungen und Verfahren geeignet sind, umfassen Legierungen. Das Substrat umfasst beispielsweise Legierungen von Nickel (Ni), Kobalt (Co), Eisen (Fe) oder Molybdän (Mo).
[0013] Die Substrate weisen einen Oberflächenteil auf und weisen ausserdem einen oder mehrere Hohlräume auf. Die inneren Hohlräume weisen eine weite Bandbreite von komplexen Oberflächen, wie etwa enge Bohrungen, auf. Das Substrat ist entweder ein OEM-Bauteil oder ein Bauteil, das einem Betriebseinsatz ausgesetzt ist. In denjenigen Ausführungsformen, in denen das Substrat ein dem Betriebseinsatz ausgesetztes Bauteil ist, sind Abschnitte des Substrats unrein, teilweise oxidiert oder weisen Beschichtungsrückstände auf.
Die fliessfähige Beschichtungszusammensetzung
[0014] Die Zusammensetzung umfasst ein Beschichtungspulver, ein Bindemittel und, optional, ein Additiv.
[0015] Das Beschichtungspulver enthält ein Metall, das fähig ist, eine chemische Verbindung mit dem Substrat zu bilden. Das Metall bindet sich an das Substrat, um eine schützende Sperrschicht gegen die Diffusion von Fremdelementen in das Substrat zu bilden. Die Sperrschicht verhindert die Diffusion von Elementen wie etwa Sauerstoff, um das Substrat vor Oxidation, Sulfidierung und/oder Korrosion zu schützen.
[0016] Gemäss besonderen Ausführungsformen weist das Beschichtungspulver mindestens ein Metall auf, das aus der Gruppe bestehend aus Aluminium, Platin-Aluminium, Chrom-Aluminium, Aluminium-Silizium, MCrAlY oder Kombinationen davon ausgewählt ist. MCrAlY umfasst mindestens eines der Elemente Eisen, Kobalt oder Nickel (M = Fe, Co und/oder Ni), Chrom, Aluminium und Yttrium. Gemäss bestimmten Ausführungsformen ist das Beschichtungspulver in der Zusammensetzung in einer Menge vorhanden, die ausreichend ist, um (1) eine Schichtdicke im Bereich von ungefähr 0.0008 mm (0,00003 Zoll) bis ungefähr 0.1778 mm (0,007 Zoll) zu erzeugen; und um (2) eine Schicht mit einem prozentualen Anteil von Aluminium im Bereich von ungefähr 12% bis ungefähr 50% Aluminium zu erzeugen. Gemäss besonderen Ausführungsformen ist das Beschichtungspulver in der Zusammensetzung in einer Menge im Bereich von ungefähr 5% Gewichtsanteilen bis ungefähr 60% Gewichtsanteilen vorhanden.
[0017] Das Bindemittel umfasst ein Lötgel-Bindemittel. In der bevorzugten Ausführungsform ist die Viskosität des Bindemittels derart, dass (1) die Zusammensetzung während des Auftragens zu dem Substrat fliessen wird; und (2) nach dem Auftragen auf dem Substrat dort verbleiben wird. Wichtig ist jedoch, dass das Bindemittel die Zusammensetzung veranlasst, ein Aktivatorgas (nachstehend beschrieben) während des Schrittes der Verdampfung oder Verbrennung freizusetzen. Gemäss besonderen Ausführungsformen ist das Bindemittel in der Zusammensetzung in einer Menge im Bereich von ungefähr 20% Gewichtsanteilen bis ungefähr 50% Gewichtsanteilen der Zusammensetzung vorhanden. Nicht einschränkende Beispiele von geeigneten Bindemitteln umfassen wasserhaltige Bindemittel, alkoholhaltige Bindemittel, epoxidhaltige Bindemittel und Kombinationen davon.
[0018] Das Bindemittel umfasst ausserdem mindestens ein Additiv. Das Additiv unterstützt die Erzeugung von Aktivatorgas (nachstehend beschrieben) während des Schritts der Verdampfung oder Verbrennung. Gemäss besonderen Ausführungsformen umfasst das Additiv mindestens eines der Elemente Polymethylmethacrylat(PMMA)-Mikrokugeln, Aluminiumoxid, kalziniertes Aluminiumoxid, Ammoniumfluorid (NH4F), Ammoniumchlorid (NH4CI) und PTFE(Teflon)-Späne. Das Additiv ist in der Zusammensetzung in einer Menge im Bereich von ungefähr 1% Gewichtsanteilen bis ungefähr 20% Gewichtsanteilen der Zusammensetzung vorhanden.
Das Beschichtungsverfahren
[0019] Der Schritt des Auftragens der Beschichtungszusammensetzung auf dem Substrat umfasst im Wesentlichen jede geeignete, im Stand der Technik bekannte Technik.
[0020] Geeignete Techniken zum Auftragen der Beschichtungszusammensetzung umfassen die Einspritzung, das Tauchbaden, das kurze Eintauchen und das Vakuumbedampfen. In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der Schritt das Einspritzen der Zusammensetzung in mindestens einen inneren Hohlraum des Substrats. Wichtig ist jedoch, dass die Viskosität der Zusammensetzung (1) es ermöglichen kann, in alle internen Hohlräume innerhalb des Substrats zu fliessen; und (2) es der Zusammensetzung ermöglicht, nach dem Auftragen dort zu verbleiben.
[0021] Das Beschichtungsverfahren weist den Schritt des Verdampfens oder Verbrennens von mindestens einem Teil der Zusammensetzung auf, um (1) mindestens einen Teil des Bindemittels zu verdampfen oder zu verbrennen, um ein Aktivatorgas zu erzeugen und (2), um mindestens einen Teil des Metalls zu verdampfen, um eine Beschichtung von dem Metall auf dem Substrat zu bilden. In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der Schritt des Verdampfens oder Verbrennens eine Wärmebehandlung. Die Wärmebehandlung findet in einem Ofen, wie etwa einem Luftkammerofen, statt und findet bei einer Temperatur im Bereich von ungefähr 780 °C (1400 °F) bis ungefähr 1149 °C (2100 °F) und über einen Zeitraum im Bereich von ungefähr 1 Stunde bis ungefähr 10 Stunden statt.
[0022] Der Schritt des Verdampfens oder Verbrennens veranlasst das Bindemittel, ein Aktivatorgas zu erzeugen. Das Aktivatorgas verbessert den Beschichtungsprozess, indem die Diffusion des Metalls auf den Abschnitt des Substrats unterstützt wird. Gemäss besonderen Ausführungsformen umfasst das Aktivatorgas mindestens eines der Elemente Wasserstoff, Chlor, Fluor, Wasserstoffchlorid, Wasserstofffluorid oder Ammonium. Obwohl der genaue Mechanismus, durch welchen das Aktivatorgas den Beschichtungsprozess unterstützt, unbekannt ist, wird angenommen, dass das Aktivatorgas (1) das Turbinenbauteil reinigt; (2) die gleichmässige Diffusion der Beschichtung auf die Oberfläche des Turbinenbauteils fördert, mit jeglichen Teilen des Turbinenbauteils, die unrein oder teilweise oxidiert sind oder Beschichtungsrückstände aufweisen; (3) die Menge der Abfallstoffe, wie etwa Beschichtungsrückstände und Asche, reduziert; (4) eine leichtere Abfallstoffentfernung von den Turbinenbauteilen ermöglicht; (5) das Turbinenbauteil glättet; oder jegliche Kombination des Vorgenannten ermöglicht.
[0023] Das Beschichtungsverfahren weist ebenfalls den Schritt des (d) Entfernens eines Abfallstoffs von dem Turbinenbauteil auf. Der Abfallstoff umfasst jeglichen restlichen Anteil der Zusammensetzung und/oder jegliches Nebenprodukt des Beschichtungsprozesses wie etwa Pulverrückstände und Asche.
Beispiele
[0024] Eine Diffusionsbeschichtungszusammensetzung, die an Gewichtsanteilen 30% Chrom-Aluminium (100 mesh, 44% Chrom, 56% Aluminium), 40% Lötgel-Bindemittel, 5% Ammoniumchlorid (NH4Cl), 5% Ammoniumfluorid (NH4F), 10% PMMA-Mikrokugeln und 10% kalziniertes Aluminiumoxid (AI2O3, 100 mesh) umfasst, wurde in den inneren Durchgang eines Turbinenblatts aus einer Nickel-Superlegierung eingespritzt. Das Turbinenblatt wurde in einem Ofen auf 1093 °C (2000 F) für 4 Stunden erhitzt, und der Ofen wurde dann abgeschaltet und konnte auf Raumtemperatur abkühlen.
[0025] Nach dem Abkühlen wurden die inneren Durchgänge des Turbinenblatts mit normaler Werkstatt-Druckluft gereinigt. Danach wurde Wasser durch die inneren Durchgänge geleitet, um sicherzustellen, dass diese frei von jeglichen Reststoffen waren. Die Diffusionsbeschichtung ergab eine 1,8 µ dicke Beschichtung in den Turbinendurchgängen, die 23% Gewichtsanteile an Aluminid umfasste.
[0026] Es versteht sich, dass das Vorhergehende lediglich die bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Patentanmeldung betrifft.
Claims (10)
1. Verfahren zum Diffusionsbeschichten eines Substrats, die folgenden Schritte umfassend:
a) Bereitstellen eines Substrats;
b) Auftragen einer Diffusionsbeschichtungszusammensetzung auf mindestens einem Abschnitt des Substrats, wobei die Zusammensetzung ein Beschichtungspulver und ein Bindemittel umfasst und das Beschichtungspulver mindestens ein Metall umfasst; und
c) Verdampfen oder Verbrennen von mindestens einem Teil der Zusammensetzung, um mindestens einen Teil des Bindemittels zu verdampfen oder zu verbrennen, um ein Aktivatorgas zu erzeugen, und um mindestens einen Teil des Metalls zu verdampfen, um eine Beschichtung von dem Metall auf dem Substrat zu bilden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Bereitstellens eines Substrats das Bereitstellen eines Turbinenbauteils umfasst.
3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei ein Abschnitt des Turbinenbauteils mindestens einen Bereich aufweist, der oxidiert, unrein oder mit Beschichtungsrückständen beschichtet ist.
4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Auftragens der Zusammensetzung das Einspritzen der Zusammensetzung umfasst.
5. Diffusionsbeschichtungszusammensetzung, umfassend:
a) ein Beschichtungspulver; und
b) ein Bindemittel,
wobei das Beschichtungspulver mindestens ein Metall umfasst und wobei das Bindemittel während der Verdampfung oder Verbrennung ein Aktivatorgas freisetzt.
6. Zusammensetzung nach Anspruch 5, wobei das mindestens eine Metall aus der Gruppe bestehend aus Aluminium, Platin-Aluminium, Chrom-Aluminium, Aluminium-Silizium, MCrAlY oder Kombinationen davon ausgewählt ist, wobei M mindestens eines der Elemente Fe, Co oder Ni enthält.
7. Zusammensetzung nach Anspruch 5, wobei das Beschichtungspulver in der Zusammensetzung in einer Menge von 5% Gewichtsanteilen bis 60% Gewichtsanteilen der Zusammensetzung vorhanden ist.
8. Zusammensetzung nach Anspruch 5, wobei das Bindemittel ein Lötgel-Bindemittel umfasst.
9. Zusammensetzung nach Anspruch 5, wobei das Bindemittel in der Zusammensetzung in einer Menge von 20% Gewichtsanteilen bis 60% Gewichtsanteilen der Zusammensetzung vorhanden ist.
10. Zusammensetzung nach Anspruch 5, wobei das Bindemittel ferner mindestens ein Additiv umfasst, wobei das mindestens eine Additiv aus der Gruppe bestehend aus PMMA-Mikrokugeln, Aluminiumoxid, kalziniertes Aluminiumoxid, NH4F, NH4CI, PTFE-Späne oder Kombinationen davon ausgewählt ist.
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