Verfahren zur Erzeugung galvanisch abgeschiedener Heissgaskorrosionsschichten

Beschreibung

[0001] Die Erfindung des Hauptpatents bezieht sich auf ein Verfahren zur Erzeugung galvanisch abgeschiedener Heißgaskorrosionsschichten mit in einer Kobalt- und/oder Nickelmatrix eingebauten Metallegierungsparti­kein, bei dem ein den Matrixwerkstoff enthaltender Elektrolyt mit einer Suspension aus chrom- und/oder aluminiumhaltigem Metallegie­rungspulver versetzt ist.

[0002] Zur Verbesserung der Struktur und Oberflächenqualität der Heißgas­korrosionsschichten mit einer Kobalt- und/oder Nickelmatrix war die Aufgabe des Hauptpatentes ein Dispersionsbeschichtungsverfahren anzu­geben, bei dem unter geringem Verfahrensaufwand eine gleichmäßige, qualitativ hochwertige Heißgaskorrosionsschicht erzielbar ist, die eine Einbaurate von über 40 Vol. % des Suspensionspulvers in der Me­tallmatrix aufweist.

[0003] Es wurde im Hauptpatent vorgeschlagen, daß das Metallegierungspulver eine Chrom- oder Aluminiumbasislegierung ist und kugelige Form und eine passivierte Oberfläche aufweist und nach dem Abscheiden der Kobalt- und/oder Nickelschicht mit den eingelagerten Legierungsparti­keln eine Wärmebehandlung zur Legierungsbildung erfolgt.

[0004] Bei diesem Verfahren treten nachteilig unerwartete Einbrüche in der Qualität in bezug auf Gleichmäßigkeit der Schichtdicke und der Einbau­rate des Metallegierungspulvers in der abgeschiedenen Metallmatrix auf. Es werden erhebliche Einbauratenunterschiede zwischen Oberseite und Unterseite, sowie zwischen Oberseite und Seitenteilen festge­stellt.

[0005] Bei entsprechenden Vergleichsversuchen wurde überraschender Weise ge­funden, daß vertikal im Elektrolytbad angeordnete Oberflächenbereiche eine geringe Einbaurate mit unter 10 Vol. % an Metallegierungspulver aufweisen und daß dies sowohl im rotierenden als auch im Gasblasen durchströmten stehenden Elektrolytbad auftritt.

[0006] Bei horizontal angeordneten Bauteilen wurde auf der Bauteilunterseite ebenfalls eine Einbaurate kleiner 10 Vol. % an Metallegierungspulver festgestellt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindungen

[0007] ist es, sowohl mikroskopische Agglomerationen von Metallegierungs­partikeln in der abzuscheidenden Metallmatrix, als auch eine partielle Ausdünnung von Metallegierungspartikeln in der Schicht in einzelnen Oberflächenbereichen zu vermeiden und eine gleichmäßige Zusammenset­zung der Schicht mit über 40 Vol. %-Anteil der Metallegierungs­partikel in der Schicht zu erzielen und eine Schichtdickenvariation auf dem Bauteil zu minimieren.

[0008] Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, daß die zu beschichtenden Bauteile mit ihren Beschichtungsflächen horizontal in einem Gasblasen durch­ mischten stehenden Elektrolytbad angeordnet sind und um eine hori­zontale Achse gedreht werden.

[0009] Diese Lösung hat den Vorteil, daß eine Vergleichmäßigung der Einbau­rate und der Schichtdicke zwischen Bauteiloberseite und Bauteilunter­seite erreicht wird.

[0010] Eine bevorzugte Ausbildung der Erfindung sieht vor, in einem Drehzahl­bereich zwischen 2 Umdrehungen/Minute und 10 Umdrehungen/Minute die Abscheidung durchzuführen. Dieser Bereich hat den Vorteil, daß perio­disch auftretende mikroskopische Einbauratenunterschiede zwischen Ober- und Unterseite vermieden werden, wie sie bei Drehzahlen unter 2 U/min auftreten und daß ein Abfall der Einbaurate unter die 40 Vol. %-Grenze nicht auftritt solange die Drehzahl 10 U/min nicht über­steigt.

[0011] Eine bevorzugte Ausbildung der Erfindung sieht vor, daß als Ma­trixmaterial Kobalt und Nickel im stöchiometrischen Molverhältnis von 1:1 abgeschieden werden.

[0012] Vergleichsversuche zeigten unerwartete Vorteile für diese stöchiome­trische Abscheidung gegenüber einer reinen Kobalt-Matrix-Abscheidung. Es konnte die Abscheidegeschwindigkeit mehr als verdoppelt werden, da überraschenderweise die kritische Stromdichte, bei der die Schichtqua­lität bereits wieder abfällt, mehr als verdoppelt werden konnte. Bei reiner Kobalt-Matrix-Abscheidung würde bei der Verdoppelung der kri­tischen Stromdichte eine verminderte Einbaurate an Metallegierungs­pulver und eine rauhere Schichtoberflächen an exponierten Stellen des Bauteils wie beispielsweise Kanten, Spitzen, Rundungen oder Graten gegenüber anderen Oberflächenbereichen auftreten.

[0013] Eine bevorzugte Ausführung des Abscheideverfahrens sieht für eine stöchiometrische Kobalt-Nickel-Matrix eine Stromdichte von 500 bis 800 A/m² vor, was vorteilhaft eine hohe Abscheidungsrate zwischen 100 µm/h und 150 µm/h bewirkt. Dabei wird vorteilhaft eine Schichtdik­kenvariation von kleiner 10 % erreicht und die Einbaurate von Metall­legierungspulver auf 45 Vol. % erhöht.

[0014] Im folgenden wird ein Anwendungsbeispiel der Erfindung beschrieben.

[0015] In einem Elektrolytbad der Zusammensetzung:
- 320 g/l NiSO₄ · 6H₂O
- 30 g/l CoSO₄ · 6H₂O
- 50 g/l NiCl₂ · 6H₂O
- 35 g/l H₃BO₃
- 20 g/l CrAlY (Metallegierungspulver, Korngröße < 10 µm)
wird eine Turbinenschaufel mit ihrer Längsachse horizontal eingetaucht und um ihre Längsachse mit 10 U/min gedreht. Dabei wird eine geregelte Gleichstromdichte von 800 A/m² auf das Bauteil aufgeschaltet. Inner­halb von 60 Minuten scheidet sich eine Schicht aus 50 mol % Kobalt und 50 mol % Nickel mit Einlagerungen von CrAlY-Partikeln der Zusam­mensetzung 71 mol % Cr, 27 mol % Al, und 2 mol % Y in einer gleich­mäßigen Schichtdicke auf der Ober- und Unterseite der Schaufel von 140 ± 10 µm bei einem gleichbleibenden Einbauanteil von 45 Vol. % CrAlY-Partikeln ab.

[0016] Zur Verbesserung der Schichtqualität können Netzmittel, Grundglänzer oder andere Glanzmittelzusätze dem Abscheidungsbad zugesetzt werden. Im obigen Beispiel wurde 0,4 g/l Ortho-Benzolsäuresulfid 0,2 g/l Butin-(2)-diol (1,4) und 3 ml/l SNAP A/M zusätzlich im Abscheidebad gelöst.

[0017] In einer anschließenden Wärmebehandlung bei 1050 °C für 15 Stunden diffundieren die Matrixelemente Kobalt und Nickel ineinander und in die Oberflächen der CrAlY-Partikel, sowie in die Oberfläche des Grund­werkstoffes des Bauteils, der sich in diesem Beispiel aus folgenden Legierungsbestandteilen zusammensetzt:
0,15 % Kohlenstoff
10,0 % Chrom
15,0 % Kobalt
3,0 % Molybdän
4,7 % Titan
5,5 % Aluminium
0,05 % Zirkonium
0,015 % Bor
1,0 % Vanadium
Rest Nickel

[0018] Mit den obenangegebenen Parametern wurden auch Turbinenschaufeln mit nachfolgender Zusammensetzung erfolgreich beschichtet:
9,0 % Chrom
5,0 % Kobalt
9,5 % Wolfram
2,9 % Tantal
0,7 % Niob
5,5 % Aluminium
1,8 % Titan
0,03 % Kohlenstoff
Rest % Nickel

Ansprüche

1. Verfahren zur Erzeugung galvanisch abgeschiedener Heißgaskorro­sionsschichten mit in einer Kobalt- und/oder Nickelmatrix einge­bauten Metallegierungspartikeln, bei dem ein den Matrixwerkstoff enthaltender Elektrolyt mit einer Suspension aus chrom- und/oder aluminiumhaltigem Legierungspulver versetzt ist, wobei das Metall­legierungspulver eine Chrom- oder Aluminiumbasislegierung ist und eine kugelige Form und eine passivierte Oberfläche, aufweist und nach dem Abscheiden der Kobalt- und/oder Nickelschicht mit den eingelagerten Legierungspartikeln eine Wärmebehandlung zur Legie­rungsbildung erfolgt nach DE-Patentanmeldung P 38 15 976, dadurch gekennzeichnet, daß die zu beschichtenden Bauteile mit ihren Be­schichtungsflächen in einem Gasblasen durchmischten stehenden Elektrolytbad angeordnet sind und um eine horizontale Achse ge­dreht werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bau­teile mit einer Drehzahl im Bereich von 2 bis 10 U/min gedreht werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Matrialwerkstoff aus Kobalt und Nickel in einem stöchiometrischen Molverhältnis von 1:1 abgeschieden wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Bauteile mit einer Stromdichte zwischen 500 und 800 A/m² beauf­schlagt werden.