NO156573B - Fremgangsmaate for paafoering av en dobbelt platecladding paa et konstruksjonsmaterialesubstrat. - Google Patents

Description

Et betydelig problem for avanserte industri-, luftfart-tøy- og skipsgassturbiner er superlegeringskomponentenes over-flatestabilitet. Sterkt korroderende omgivelser oppstår på grunn av forbrenningen av tunge brenseloljer, og når dette kombineres med høyere forbrenningstemperaturer og lengre ved-likeholdsintervaller, oppstår det meget strenge begrensninger hva gjelder materialvalg. Det er blitt stadig vanskeligere å oppnå både sigefasthet og god korrosjonsfasthet ved hjelp av legering av basismetallet alene. Forskjellige belegnings-

og claddingprogram er derfor blitt utviklet for å oppnå over-flatebeskyttelse av superlegeringssubstratet. Bindingen av en claddingplate som er motstandsdyktig overfor oxydasjon og varmkorrosjon, til en turbinskovl eller et turbinmunnstykke representerer en løsning av overflatestabilitetsproblemet.

Betydelige fremskritt er nylig blitt gjort véd utvik-lingen av metoder for diffusjonsbinding av claddingplater på

et konvekst-konkavt substrat, som et bæreflate- eller turbin-blad. Således er i US patentskrift nr. 3928901 en metode beskrevet hvor claddingplaten blir isostatisk kaldpresset under dannelse av en tett hud over substratet. I US patentskrift nr. 3904101 er en claddingprosess beskrevet hvor rommet mel-

lom claddingplaten og substratet evakueres og alle sømmer blir vakuumslagloddet, og derefter diffusjonsbindes den sammen-

satte gjenstand i en autoklav under anvendelse av et gass-formig medium og forhøyet temperatur og trykk. I US patentskrift nr. 39 52939 er beskrevet en fremgangsmåte hvor en på forhånd montert claddingplate og et substrat maskeres ved alle sømmer og omgis med glassbiter, hvorefter varmdiffusjons-binding utføres mens glasset smelter og slik at det sikres en isostatisk spenningstilstand. De hittil anvendte fremgangs-måter for å tilveiebringe claddingbelegg på konvekse-konkave substrater, omfatter bare et enkelt claddinglag.

En annen metode for å beskytte superlegeringsgjenstander fra . høytemperaturoxydasjon og -korrosjon er ved anvendelse av belegnj.ngsmetoder. Forskjellige belegg for superlegeringer er blitt beskrevet innen litteraturen, og av spesiell interesse er belegningsmidler bestående i det vesentlige av krom, aluminium, et element fra gruppen yttrium og de sjeldne jord-artselementer, og et metall fra gruppen jern, kobolt og nikkel. Disse belegg er innen teknikken blitt betegnet som MCrAlY-belegg.

Ytterligere beleggforbedringer er blitt oppnådd ved anvendelse av flere belegningslag. I US patentskrift nr.3873347 er således beskrevet belegning av en superlegeringshoveddel med et MCrAlY-belegg ved fysikalsk avsetning av damp, hvorefter et aluminisert overtrekk dannes ved pakkesementering.

I US patentskrift nr. 3874901 er beskrevet en lignende pro-sess, men med den forskjell at aluminiumovertrekket dannes ved fysikalsk avsetning av damp. I US patentskrift nr.3649225 er beskrevet anvendelse av et sammensatt belegg, hvor et mellomlag av krom eller som er rikt på krom befinner seg nær superlegeringssubstratet og over hvilket ét ytre MCrAlY-lag befinner seg. I US patentskrift nr. 4005989 er beskrevet belegning av et superlegeringssubstrat med et aluminidmellom-lag som derefter belegges med et MCrAlY-overtrekk.

Det tas derfor ved oppfinnelsen sikte på å tilveiebringe en ny fremgangsmåte for diffusjonsbinding av doble lag av claddingplater på komplekst formede superlegeringskom-ponenter ved hjelp av et enkelt bindingstrinn og for derved å eliminere en rekke bindingstrinn, som de trinn som er anvendt innen den kjente belegningsteknikk.

Det er ifølge oppfinnelsen blitt utviklet en fremgangsmåte for diffusjonsbinding av to lag av claddingplater på et konstruksjonsmaterialesubstrat.

Den foreliggende fremgangsmåte er særpreget ved de trinn at a) en indre claddingplate av aluminium monteres på substratet slik at claddingplaten nøye følger substratets form, b) en ytre claddingplate av MCrAlY, hvori M betegner jern, kobolt eller nikkelxmonteres på substratet som på forhånd er blitt forsynt med den indre claddingplate av aluminium, slik at den ytre korrosjonsresistente claddingplate fullstendig omhyller og avtetter den indre claddingplate,

c) den sammensatte gjenstand av claddingplater og substrat anbringes i en deformerbar beholder, d) beholderen fylles

med et trykkoverføringsmiddel av glass slik at den sammensatte gjenstand av claddingplater og substrat blir fullstendig neddykket i dette, e) beholderen lukkes slik at den

blir lufttett, og f) claddingen diffusjonsbindes til substratet ved hjelp av en isostatisk varmpressingssyklus hvor temperaturen først holdes under smeltepunktet for aluminium, trykket økes for å opprette intim kontakt mellom den indre claddingplate og substratet og den ytre claddingplate, og temperaturen økes derefter opp til et maksimum av 1200°C

mens trykktilstanden opprettholdes inntil aluminiumet har reagert fullstendig og har størknet.

Oppfinnelsen vil bli nærmere beskrevet i forbindelse

med tegningen, hvor

Fig. 1 er et diagram som viser typiske trykk-temperatur-tidskurver for diffusjonsbindingstrinnet, og Fig. 2 er et diagram som viser de forbedrede korrosjons-motstandsdyktighetsegenskaper som fås ved anvendelse av den foreliggende dobbeltplatecladdingprosess sammenlignet med en referanseprøve fremstilt med et enkelt MCrAlY-claddingbelegg. Ved den foreliggende fremgangsmåte anvendes isostatisk varmpressing sammen med smeltet glass som trykkoverførings-middel for fremstilling av den ønskede komponent. Først tilberedes superlegeringssubstratets overflate, f.eks. ved blåsing med glass, kjemisk etsing eller eventuelt plettering med nikkel, fulgt av en egnet diffusjonsvarmebehandling under vakuum. Derefter anbringes den indre claddingplate eller -folie av aluminium på substratet. Dette claddingmateriale har typisk en tykkelse av 0,0127-0,0762 mm.

Derefter formes den ytre claddingplate av MCrAlY på en dor eller modellform slik at den får substratets form, f .eks. ved den fremgangsmåte som er beskrevet i US patentskrift nr. 3928901. Denne fremgangsmåte omfatter kort fortalt de følgende trinn: Grovforming av claddingplaten efter master-formen slik at claddingplaten ligger tett an mot masterformens konvekse overflate, mens claddingplaten vendt mot masterformens konkave overflate befinner seg i avstand fra den konkave overflate, anbringelse av claddingplaten og master-formen i en forseglet gummiform, og påføring av isostatisk trykk mot formen for å deformere claddingplaten i kontakt med masterformens konkave overflate.

Den ytre claddingplates kjemiske sammensetning er betegnet med "MCrAlY", hvor M er fra gruppen jern, kobolt og nikkel. Denne plate kan generelt defineres ved at den i det vesentlige har den følgende nominelle sammensetning i vektprosent :

Blant materialer med en slik sammensetning er de materi-

aler som er betegnet med FeCrAlY, CoCrAlY, NiCrAlY, FeCrY,

NiCr, og CoCrAlYTa. Den ytre claddingplates tykkelse kan

være 0,127-0,762 mm, og den foretrukne tykkelse er ca.0,254 mm.

Den formede, ytre claddingplate og substratet som allerede

er blitt belagt med en indre claddingplate av aluminium, monteres slik at de fullstendig avgrenser, omhyller og avtetter den indre claddingplate av aluminium. Denne sammensatte gjenstand blir fremstilt ved å maskere alle sømmer mellom den ytre claddingplate og substratet for å hindre det trykkover-førende middel fra å trenge inn i grenseflatene mellom den ytre claddingplate og substratet. Maskeringstrinnet kan ut-føres ved å anbringe bånd over sømmene eller ved å heftsveise den ytre claddingplate til substratet langs sømmene. Det er bare nødvendig at det passes på at det trykkoverførende middel, uansett om dette befinner seg i fast eller smeltet tilstand, hindres fra å komme inn i den sammensatte gjenstand av det ytre claddingplate-substrat og å hindre at den indre flytende claddingplate av aluminium vil unnslippe.

Den maskerte sammensatte gjenstand blir derefter anbragt

i en deformerbar metallbeholder (bløtt stål) som vil falle sammen under trykk som er egnet for diffusjonsbinding. Den deformerbare beholders volum er slikt at den sammensatte gjenstand av claddingplate-substrat kan neddykkes fullstendig i et granulært, fortettende trykkoverføringsmiddel og med til-

strekkelig klaring rundt den sammensatte gjenstands kanter, slik at når isostatisk varmpressing anvendes under diffusjons-bindingsprosessen, vil ingen av den sammensatte gjenstands kanter gjennomhulle beholderen, når denne faller sammen. Glassperler eller -fliser av f.eks. vanlig soda-kalkglass fore-trekkes som trykkoverføringsmiddel fordi glasset vil bli for-tettet og smelte ved diffusjonsbindingstemperaturer, slik at det fås et optimalt overføringsmiddel for hydrostatisk trykk. Dessuten er glass forholdsvis inert og gasser kan lett av-drives fra dette, og glass kan lett fjernes fra den sammensatte gjenstands overflate efter diffusjonsbindingstrinnet.

Efter at den deformerbare beholder er blitt fylt med

den maskerte sammensatte gjenstand av claddingplate-substrat og med trykkoverføringsmidlet, er det neste trinn å forsegle beholderen efter at gass er blitt fjernet fra denne. Dette oppnås ved evakuering av hele den sammensatte anordning, fulgt av en avstengning fra vakuumsystemet ved glødesveising.

Den lukkede beholder anbringes i en varm gassautoklav (isostatisk varmpresse) for å bli diffusjonsbundet ved egnet temperatur og trykk. Det kan i denne forbindelse vises til Fig. 1 som viser en tids-temperatur-trykkurve for en typisk bindingssyklus. Under diffusjonsbindingstrinnet holdes temperaturen, som vist ved kurven, først under aluminiumsmelte-temperaturen (smeltepunkt 660°C) , mens trykket økes til ca.

352 kg/cm 2. På grunn av dette økede trykk opprettes en intim kontakt mellom den indre claddingplate av aluminium og substratet og den ytre beskyttende claddingplate. Efterhvert som temperaturen økes cpp til 1100<C>C (et maksimum av 1200°C), blir glassperlene flytende (de blir viskøse), og den på-følgende volumforandring gjør at den deformerbare beholder delvis faller sammen rundt den sammensatte gjenstand av claddingplate-substrat, slik at det sikres at en isostatisk spenningstilstand vil foreligge rundt den sammensatte gjenstand. I løpet av denne tid går den indre claddingplate av aluminium over til væskeform og reagerer derefter i flytende tilstand med substratet og claddinglegeringen under dannelse av det tilsvarende aluminid, og størkner. Det er av spesiell viktighet at det flytende aluminium avgrenses av den under

trykk stående ytre claddingplate inntil det har reagert fullstendig. De temperaturer og de trykk som anvendes under dif-fus jonsbindingstrinnet , vil i alminnelighet variere i en viss grad og er avhengige av de materialer som bindes til hverandre.

Efter diffusjonsbindingstrinnet fjernes den sammensatte gjenstand av claddingplate-substrat fra den deformerbare beholder, og glass som hefter til overflatene av den bundne sammensatte gjenstand, fjernes, f.eks. ved sandblåsing eller ved påfølgende oppvarming av den sammensatte gjenstand under vakuum og bråkjøling av denne i vann. Derefter kan den bundne sammensatte gjenstand om nødvendig utsettes for en sluttvarme-behandling.

Eksempler

Adskilte korrosjonsskiveprøvestykker av en Ni-basert superlegering (IN 738) ble først dekket med en aluminiumfolie med en tykkelse av 0,0178 eller 0,0762 mm, og disse ble derefter klemt mellom 0,254 mm tykke plater av de følgende ytre claddinglegeringer: Fe-25Cr-lY ( i vektprosent), Fe-25Cr-0,1Y, Ni-50 Cr og Co-25Cr-5 Al-lY-3Ta. De lagvis oppbygde prøve-stykker som ble montert sammen ved punktsveising av de ytre claddinglegeringer til substratet for å innkapsle aluminium-folien, ble anbragt i en beholder av bløtt stål som var fylt med perler av soda-kalkglass, og gass ble fjernet fra beholderen via et evakueringsrør ved 315°C i 16 timer under et vakuum av 5-10yUm og lukket ved glødesveising av røret. Beholderen ble anbragt i en autoklav som var forvarmet til 500°C, og autoklaven ble satt under trykk opp til 352 kg/cm^ med argon. Efter en holdetid på ca. 15 minutter ble auto-klavens temperatur øket til 109 3°C, og temperaturen og trykket ble opprettholdt i 1 time i overensstemmelse med det skjematiske diagram som er vist på Fig. 1. Temperaturen og trykket ble opphevet, den monterte gjenstand fjernet, og prøvestykker ble fjernet fra beholderen av bløtt stål og undersøkt metallografisk. I alle tilfeller førte denne behandlingsrekkefølge til et nikkelaluminidlag mellom det ytre claddingbelegg og substratet, og disse lag var metallurgisk bundet til hverandre. Forsøket ble gjentatt, idet adskilte substratskiver av nikkelbasert superlegering ble blåst med glassperler og avfettet med damp før de ble montert, og den ytre cladding-legerings Fe-25Cr-4Al-lY bindingsovarflate ble polert med 400 grit smergelpapir og avfettet med damp. Et indre lag av en 0,0178 mm tykk aluminiumfolie ble punktsveiset til substratet, og det ytre claddinglag ble punktsveiset for å omslutte denne sandwich-struktur. Prøvestykkene ble anbragt i en beholder av bløtt stål som ble kontrollert for lekkasje med et heliummassespektrometer, avgasset ved 316°C i 16 timer under et vakuum av 5-10^um og lukket ved glødesveising. En identisk tids-temperatur-trykksyklus ble anvendt i autoklaven, og igjen viste metallografiske undersøkelser en intim binding mellom lagene og nærværet av et indre nikkelaluminidlag.

Prøvestykkene ble korrosjonsundersøkt i en liten for-brenningsrigg som ble drevet ved 982°C med produktene av for-brent dieselolje som inneholdt 1% S og dopet med kunstig sjø-salt for å gi 8 ppm Na i atmosfæren. Kontrollprøvestykker som inneholdt et diffusjonsbundet claddingbelegg av Fe-25Cr-4A1-1Y, men uten det indre nikkelaluminidlag ble også utsatt for denne omgivelse. Prøvestykker ble fjernet periodevis som funksjon av eksponeringstiden, og tverrsnitt ble under-søkt metallografisk. Målinger foretatt ved en forstørrelse av 100 x av maksimal korrosjonsinntrengning i det ytre claddingbelegg av Fe-25Cr-4Al-lY er avsatt på Fig. 2 som funksjon av eksponeringstiden. Dataene viser at nærværet av et indre nikkelaluminidlag for prøvestykker behandlet med aluminiumfolie ifølge den foreliggende dobbeltcladdingprosess gir lavere korrosjonsinntrengning efter en gitt eksponeringstid. Dessuten finner økningen i korrosjonsinntrengning med tiden sted med lavere hastighet enn for de belagte kontrollprøve-stykker uten et indre lag av nikkelaluminid. Resultatene viste således en øket levealder for det ytre claddinglag fra ca. 3000 timer til 5500 timer for en claddinglagtykkelse av 0,254 mm.

Claims (10)

1. Fremgangsmåte for påføring av en dobbelt platecladding på et konstruksjonsmaterialesubstrat, karakterisert ved de trinn at a) en indre claddingplate av aluminium monteres på substratet slik at claddingplaten nøye følger substratets form, b) en ytre claddingplate av MCrAlY, hvori M betegner jern, kobolt eller nikkel,monteres på substratet som på forhånd er blitt forsynt med den indre claddingplate av aluminium, slik at den ytre korrosjonsresistente claddingplate fullstendig omhyller og avtetter den indre claddingplate, c) den sammensatte gjenstand av claddingplater og substrat anbringes i en deformerbar beholder, d) beholderen fylles med et trykkoverføringsmiddel av glass slik at den sammensatte gjenstand av claddingplater og substrat blir fullstendig neddykket i dette, e) beholderen lukkes slik at den blir lufttett, og f) claddingen diffusjonsbindes til substratet ved hjelp av en isostatisk varmpressingssyklus hvor temperaturen først holdes under smeltepunktet for aluminium, trykket økes for å opprette intim kontakt mellom den indre claddingplate og substratet og den ytre claddingplate, og temperaturen økes derefter opp til et maksimum av . 1200°C mens trykktilstanden opprettholdes inntil aluminiumet har reagert fullstendig og har størknet.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at det som substrat anvendes en superlegering.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 2, karakterisert ved at det som superlegering anvendes en nikkel-basert superlegering.

4. Fremgangsmåte ifølge krav 1-3, karakterisert ved at det anvendes et substrat med en konkav-konveks form.

5. Fremgangsmåte ifølge krav 4, karakterisert ved at det som substrat anvendes en turbinskovl.

6. Fremgangsmåte ifølge krav 1-5, karakterisert ved at det anvendes en indre claddingplate med en tykkelse av 0,0127-0,0762 mm og en ytre claddingplate med en tykkelse av 0,127-0,762 mm.

7. Fremgangsmåte ifølge krav 6, karakterisert ved at det anvendes en ytre claddingplate med en sammensetning bestående i det vesentlige av 15-50 vekt% krom, 0-6 vekt% aluminium, 0-3 vekt% yttrium, 0-5 vekt% tantal og resten jern, kobolt eller nikkel.

8. Fremgangsmåte ifølge krav 7, karakterisert ved at det anvendes en ytre claddingplate med sammen-setningen Fe-25Cr-4Al-lY.

9. Fremgangsmåte ifølge krav 7, karakterisert ved at det anvendes en ytre claddingplate med sammen-setningen Ni-50Cr.

10. Fremgangsmåte ifølge krav 1-9, karakterisert ved at den isostatiske varmpressingssyklus utføres i overensstemmelse med de temperatur-, trykk- og tidsbetingelser som er angitt på Fig. 1.