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Pulver zum Gebrauch beim thermischen Spritzen - Dokument DE69403413T2
 
PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE69403413T2 25.09.1997
EP-Veröffentlichungsnummer 0641869
Titel Pulver zum Gebrauch beim thermischen Spritzen
Anmelder Miller Thermal, Inc., Appleton, Wis., US
Erfinder Douglas, Richard M., League City, Texas 77573, US
Vertreter Patentanwälte Hauck, Graalfs, Wehnert, Döring, Siemons, 20354 Hamburg
DE-Aktenzeichen 69403413
Vertragsstaaten CH, DE, ES, FR, GB, IT, LI, NL
Sprache des Dokument En
EP-Anmeldetag 01.09.1994
EP-Aktenzeichen 943064451
EP-Offenlegungsdatum 08.03.1995
EP date of grant 28.05.1997
Veröffentlichungstag im Patentblatt 25.09.1997
IPC-Hauptklasse C23C 4/10
IPC-Nebenklasse C23C 4/06   

Beschreibung[de]

Die Erfindung bezieht sich auf ein beim thermischen Spritzen von Schutzschichten, insbesondere von Korrosionsschutzanstrichen bei Metallteilen, zweckdienliches Pulver.

Chromcarbid-Beschichtungen sind seit vielen Jahren durch thermisches Spritzen aufgebracht worden. Eine Beschichtung dieser Art setzt sich aus CR&sub3;C&sub2;-Teilchen in einem Nickel-Chrom-Legierungsbindemittel zusammen. Es wurden ebenfalls weitere Carbide zusammen mit Nickel- Chrom verwendet. Bei bestimmten Hochtemperatur- Applikationsarten ist jedoch Chromcarbid die einzige praktische Lösung. So kann zum Beispiel Carbid in einem Cobalt-Bindemittel als Erosionsschutzanstrich für viele Oberflächen von Flugzeugteilen verwendet werden, wobei es jedoch bei Verwendung in Hochtemperaturzonen keine ausreichende Hitzebeständigkeit aufweist. Eine feste Wolframcarbid-Titancarbid-Lösung mit einem Nickel- Bindemittel ist geringfügig besser, bei hohen Temperaturen jedoch immer noch unzulänglich.

Das Pulver wird während des thermischen Spritzens erhitzt, was in einer vollständigen oder teilweisen Schmelzung resultiert, und sodann auf die zu beschichtende Oberfläche gespritzt. Bei dem Pulver handelt es sich im allgemeinen um ein einfaches Gemisch aus Chromcarbid-Pulver und Nickel-Chrom-Pulver, in den meisten Fällen um ein Gemisch aus 75 Gew. % Chromcarbid/25 Gew. % Ni-Cr oder 80 Gew. % Chromcarbid/20 Gew. % Ni-Cr, jedoch liegen Gemische zwischen 7 Gew. % und 25 Gew. % Ni-Cr im üblichen Rahmen. Im allgemeinen bleibt das Chromcarbid während des Spritzens fest, wohingegen die Nickel-Chrom-Legierung zum Schmelzen kommt, was in einer Beschichtung resultiert, bei welcher die Carbidpartikel vom Nickel-Chrom umschlossen sind. Sind die Carbidteilchen relativ groß, weist die sich ergebende Beschichtung keine zufriedenstellende Glattheit auf.

Bei der für diese Gemische verwendeten Nickel-Chrom- Legierung handelt es sich um eine Legierung aus 80 Gew. % Nickel/20 Gew. % Chrom (z.B. NICHROM). Das Gemisch kommt am häufigsten in einem Verfahren unter Anwendung eines nicht übertragenen Plasmalichtbogens zum Einsatz. Bei Beginn des Oxy-Brennstoff-Hochgeschwindigkeits- Sprühverfahrens (HVOF) trat jedoch ein Mangel an neuen Chromcarbid-Beschichtungsstoffen auf, da das HVOF- Verfahren mit bekannten Pulvergemischen aus Chromcarbid/Ni-Cr-Legierung nicht optimal durchführbar ist. In dem HVOF-Verfahren wird das Gemisch leicht in seine Bestandteile entmischt, wodurch ein Auftrag gebildet wird, welcher nicht zufriedenstellend ist.

Um dieses Problem zu überwinden, mischt ein bekanntes, sich bei uns auf dem Markt befindliches Pulver 80 Gew. % Chromcarbidpartikel mit 20 Gew. % des Ni-Cr (80:20) Bindemittels vor. Die Partikel bestehen in der Hauptsache aus einem Chromcarbidkern, welcher zumindest zum Teil mit einer im wesentlichen aus einer Nickel-Chrom-Legierung bestehenden Schicht versehen ist. Zur Herstellung der Partikel erfolgt sukzessiv der Sinterungs-, Mahl- sowie Sortiervorgang. Vorgemischte, auf diese Weise vorbehandelte Partikel sahen eine verbesserte Wirkungsweise vor, jedoch war es bei der durch HVOF- Sprühverfahren hergestellten Beschichtung noch immer mit Schwierigkeiten verbunden, sowohl eine zufriedenstellende Glattheit als auch einen hohen Erosionsschutz zu erzielen.

Die vorliegende Erfindung sieht ein verbessertes Pulver vor, mit welchem Beschichtungen hergestellt werden können, die, im Vergleich zu dem zuvor erwähnten, eine ähnliche Zusammensetzung aufweisenden, bekannten Pulver wesentlich bessere Erosionsschutzeigenschaften besitzen.

Nach einem ersten Aspekt dieser Erfindung wird ein Pulver zur Verwendung in einem Beschichtungsverfahren durch thermisches Spritzen vorgesehen, welches Partikel aufweist, die im wesentlichen aus einem Metallcarbidkern bestehen, welcher zumindest zum Teil mit einer Schicht versehen ist, die sich vornehmlich aus einer, das darin gelöste Metallcarbid enthaltenden Nickel-Chrom-Legierung zusammensetzt, wobei die Partikel durch Erhitzen eines Gemisches aus feinen Ausgangspartikeln aus Metallcarbid in Gegenwart der Nickel-Chrom-Legierung unter Bedingungen gebildet werden, welche effektiv genug sind, um zu bewirken, daß eine Auflosung von etwa 60 bis 90 Gew. % des Ausgangsmetallcarbids erfolgt, und wobei der relative Gehalt an Carbid und der Nickel-Chrom-Legierung so gewählt sind, daß bei Abkühlen einer thermisch aufgesprühten, aus dem Pulver hergestellten Beschichtung im wesentlichen das gesamte Metallcarbid in Auflösung in der Nickel-Chrom-Legierung verbleibt.

Der relative Gehalt an Carbid und der Ni-Cr-Legierung ist so gewählt, daß bei Abkühlen der aufgesprühten Beschichtung im wesentlichen das gesamte Carbid in Auflösung in der Ni-Cr-Legierung verbleibt. Ist der Carbidgehalt zu hoch, wird das Carbid bei Abkühlen der Beschichtung abgeschieden und eine zweite, die Beschichtung schwächende und den Erosionsschutz vermindernde Phase gebildet. Gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellte Beschichtungen weisen im Vergleich zu sehr ähnlichen Beschichtungen, insbesondere Beschichtungen, welche aus dem oben beschriebenen, aus der 80:20 Chromcarbid/Ni-Cr-Legierung bestehenden, bekannten Pulver hergestellt sind, eine unerwartet hohe Zunahme der Glattheit und des Erosionsschutzes auf, wobei der verwendete Carbidgehalt so hoch war, daß ein wesentlicher Teil des Carbids nicht in Auflösung verblieben ist.

Nach einem vorhergehenden Aspekt der Erfindung werden die Carbidpartikel in der Ni-Cr-Legierung nicht komplett vorgelöst. Bei komplett erfolgter Auflösung weist die sich ergebende Verbundlegierung einen höheren Gesamtschmelzpunkt auf, wodurch das Aufsprühen erschwert werden kann. Folglich wird vorgezogen, daß lediglich ein Teil des Metallcarbids, vorzugsweise Chromcarbid, in der Ni-Cr-Legierung vorgelöst wird. Jedoch weist nach einem zweiten Aspekt der vorliegenden, für Plasmaspritzverfahren geeigneten Erfindung das Pulver zur Verwendung in einem Beschichtungsverfahren durch thermisches Spritzen Partikel auf, welche im wesentlichen aus einer, darin aufgelöstes Metallcarbid enthaltenden Nickel-Chrom-Legierung bestehen, wobei die Partikel durch Erhitzen eines Gemisches aus feinen Ausgangspartikeln aus Metallcarbid in Gegenwart der Nickel-Chrom-Legierung unter Bedingungen gebildet werden, welche effektiv genug sind, um zu bewirken, daß eine Auflosung von mehr als 90 Gew. % bis 100 Gew. % des Ausgangsmetallcarbids erfolgt, und wobei der relative Gehalt an Carbid und der Nickel- Chrom-Legierung so gewählt sind, daß bei Abkühlen einer thermisch aufgesprühten, aus dem Pulver hergestellten Beschichtung im wesentlichen das gesamte Metallcarbid in Auflösung in der Nickel-Chrom-Legierung verbleibt.

Die Pulver der vorliegenden Erfindung können als legierte, gemischte oder gebundene Metallcarbide bezeichnet werden. Handelt es sich bei dem Metall um Chrom, werden diese Materialien durch ein Verfahren gebildet, in welchem Partikel hergestellt werden, die beide Phasen aufweisen, nämlich einen Cr&sub3;C&sub2;-Kern, welcher mit einer kompletten oder teilweisen Beschichtung der gelöstes Chromcarbid enthaltenden Ni-Cr-Binderlegierung versehen ist. Im Gegensatz zu früheren Spritzverfahren, wie zum Beispiel Plasmaspritzverfahren unter Verwendung eines DC-Bogens, oder D-Spritzverfahren, welche durch Verbrennung von Acetylen auf Impulsbasis vorgenommen werden, wird das HVOF-Spritzverfahren in einem kontinuierlichen Hochgeschwindigkeitstrom durchgeführt. Der HVOF-Strom trennt gewöhnlich das Chromcarbid von der Ni-Cr-Legierung, wodurch sich auf jeder Beschichtungsoberfläche isolierte Bereiche ergeben, oder schichtet beides übereinander, was in einer geringwertigen Beschichtung resultiert. Es ist schwierig, Chromcarbid so zu schmelzen und zu erweichen, daß eine sehr geringe Abscheidung erfolgt.

Die erfindungsgemäßen Verbundteilchen können durch HVOF- Spritzverfahren ohne Trennung auf Oberflächen, wie zum Beispiel Flugzeugteilen aus Hartmetallen, wie zum Beispiel Stahl oder Titanlegierungen, aufgebracht werden. Eine durch HVOF-Spritzverfahren gebildete Beschichtung der vorliegenden Erfindung kann sowohl eine geringe Oberflächenrauheit als auch eine hohe Erosionsbeständigkeit aufweisen. Gewöhnlich führt eine Zunahme einer dieser Charakteristiken zu einer Abnahme der anderen. Erfolgt zum Beispiel eine Reduzierung der Partikelgröße, wird die sich ergebende Beschichtung glatter, jedoch anfälliger für erosive Wirkung. Bei typischen, unter Verwendung eines feineren Pulvers hergestellten Beschichtungen ergibt sich eine höhere Beanspruchung des sich ergebenden Auftrages, wodurch die Partikel oxidationsanfälliger und folglich erosionsanfälliger sind.

Sowohl Erosion als auch Oberflächenrauheit muß den für die Flugzeugherstellung vorgeschriebenen Bestimmungen entsprechen, oder aber die Beschichtung ist nicht verwendbar. Zum Beispiel müssen Schaufeln zur Verwendung für Stufe 6 bis 12 eines 12-Stufen-Rotationskompressors für ein 737-Düsentriebwerk (CFM 56) eine Rauhtiefe von nicht mehr als etwa 80 Ra, vorzugsweise 30-80 Ra, aufweisen, wobei sich Ra auf die Durchschnittsdifferenz in Mikro-Inch zwischen Erhebungen und Vertiefungen der Beschichtung bezieht. Der Erosionsverlust sollte, wie mittels Sandstrahlverfahren mit 600 Gramm reinem Weißaluminium, 230 Grit, bei 50-60 psi (3,3 bis 4,0 Bar) gemessen, 170 Mikrogramm/Gramm oder weniger, vorzugsweise 125 mg/g oder weniger betragen.

Bei Herstellung des erfindungsgemäßen Pulvers werden im Handel erhältliches Chromcarbid und Ni-Cr-Pulver von einem einfachen Pulvergemisch in ein Verbundpulver, wie oben beschrieben, umgewandelt. Dieses kann zum Beispiel durch Sprühtrocknen von Chromcarbidpartikeln mit Ni-Cr erfolgen. In einem bevorzugten Verfahren werden die Partikel durch Festkörper-Sinterung verbunden. Während der Sinterung gehen die Außenseiten der Metallcarbidpartikel in der umgebenden Ni-Cr-Legierung in Lösung. Die Sinterbedingungen werden jedoch, wie unten beschrieben, gesteuert, um eine komplette Auflösung zu vermeiden. Bei der sich ergebenden, auf den Außenseiten der Metallcarbidpartikel aufgebrachten Legierung aus dem Metallcarbid und der Ni-Cr-Legierung handelt es sich um ein eutektisches Gemisch, welches einen höheren Schmelzpunkt als die Ni-Cr-Ausgangslegierung aufweist. Bei dem thermischen Spritzverfahren kommt das restliche Metallcarbid zum Schmelzen, wodurch eine Beschichtung mit ausgezeichneter Erosionsbeständigkeit vorgesehen wird, da sie keine Schwachstellen in Form von abgeschiedenem Metallcarbid oder ungeschmolzenen Metallcarbidpartikeln aufweist. Die unter Verwendung einer solchen Legierung gemäß Beispiel 1 unten hergestellte Beschichtung weist eine einphasige Ni-Cr-C-Legierung auf, welche bei Betrachtung unter einem Mikroskop nahezu frei von Carbidpartikeln ist.

Um das Pulver gemäß der vorliegenden Erfindung herzustellen, wird das partikuläre Metallcarbid zuerst mit einer Nickel-Chrom-Legierung zur Herstellung eines Gemisches gemischt. Ungeachtet der Herstellungsart ist die Verwendung feinkörniger Ausgangspartikel aus Metallcarbid von Bedeutung. Bei zu grobkörnigen Carbid-Ausgangspartikeln kann die gewünschte Lösung nicht hergestellt werden. Bei zu feinkörnigen Carbid- Ausgangspartikeln wird das Chromcarbid pyrophor und ist nur schwer zu verarbeiten. Am effektivsten erwiesen sich Chromcarbidpartikel in einer Größe von 1 bis 10 Mikrometer.

Das Pulvergemisch wird zur Herstellung einer festen Masse gesintert und vorzugsweise zum Erkalten gebracht. Die feste Masse wird sodann durch Mahlen zurück in Pulverform gebracht, wobei das Pulver so klassiert wird, daß ein die gewünschte Partikelgrößenverteilung aufweisendes Pulver erhalten wird.

Das Gemisch wird vorzugsweise etwa 0,3 bis 3 Stunden bei einer Temperatur im Bereich von 1200 bis 1500 ºC, am besten etwa 30 bis 90 Minuten bei einer Temperatur von 1250 bis 1450ºC gesintert. Durch zuviel Wärme oder Zeit (oder beides) werden große Kristalle gebildet, was in einer nachteiligen Beeinträchtigung der Beschichtungseigenschaften resultiert. Zum anderen werden durch eine unzureichende Sinterung die Vorteile der Erfindung nicht erreicht. Die Temperatur des Gemisches während der Sinterung bleibt im allgemeinen unter dem Schmelzpunkt der beiden Komponenten, zum Beispiel 1700- 1800ºC bei Chromcarbid und etwa 1400ºC bei Ni-Cr (Lösung aus Cr in Ni). Die Sinterung kann ohne externe Druckanwendung durchgeführt werden.

Die gesinterte und abgekühlte Masse in Form eines Schmelzblockes wird sodann durch Mahlen zurück in Pulverform gebracht. Dieses kann auf einfache Weise durch einen oder mehrere Vorbrechvorgänge, bei welchen der Block und dessen große Fragmente in viele Partikel unterschiedlicher Größe geteilt werden, und sodann durch ein Mahlverfahren erfolgen, bei welchem grobkörnige Partikel in ihrer Größe weiter reduziert werden, um ein Feinpartikelgemisch mit Partikeln in einer Größe von etwa 1 bis 100 Mikrometern vorzusehen.

Anschließend werden die gemahlenen Partikel klassiert, vorzugsweise unter Verwendung eines konventionellen Luftsiebes, um die gewünschte Partikelgrößenverteilung zu erhalten. Es kann beim thermischen Spritzen eine breite Palette an Partikelgrößen von etwa 2 bis 100 Mikrometer zum Einsatz kommen, wobei von einer Sortierung abgesehen werden kann, wenn das Mahlen in der gewünschten Partikelverteilung resultiert. Bei Anwendung eines Plasmaspritzverfahrens werden, im Vergleich zu einem bei Plasmaspritzverfahren normalerweise für ein Chromcarbidpulver/Ni-Cr-Legierungspulver verwendeten Bereich von 3 bis 30 Mikrometer, partikelgrößen in einem Bereich von 44 und 100 Mikrometer am meisten bevorzugt.

Im Gegensatz zu den für Kompressorschaufel-Beschichtungen verwendeten, den Stand der Technik verkörpernden Gemischen aus Chromcarbid und Ni-Cr-Partikel, bei welchen die Größen bei einem Durchschnittswert von 25-30 Mikrometer im Bereich von etwa 10 und 40 Mikrometer liegen, resultiert bei HVOF-Spritzverfahren ein erfindungsgemäßer Bereich von etwa 2 bis 44 Mikrometer bei einem Durchschnittswert von etwa 9 bis 13, hauptsächlich 9-11 Mikrometer, in einer glatteren Beschichtung, welche erstaunlicherweise eine Erosionsfestigkeit aufweist, die ebenso gut oder besser als diese der eine wesentlich größere Gesamtgröße der Partikel aufweisenden, vorhergehenden Legierung ist. Die Sprühfähigkeit ist im allgemeinen in einem Größen- Zwischenbereich von etwa 15-44 Mikrometer am besten, wobei dieser Bereich dann vorzuziehen ist, wenn ein Hochglanz im Spritzzustand nicht erforderlich ist. So können zum Beispiel Ventilkomponenten gemäß diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung beschichtet und sodann geschliffen und geglättet werden, um eine bessere Oberflächenbeschaffenheit vorzusehen.

Zu Zwecken der Erfindung bezieht sich ein "Durchschnittswert" auf eine Partikelgröße, von welcher etwa die Hälfte der Partikel größer und die Hälfte kleiner ist. Ein solcher Durchschnittswert ist ebenfalls einer gewogenen mittleren Partikelgröße ähnlich. "Partikelgröße" bezieht sich zu Zwecken der Erfindung auf den Durchmesser eines in etwa kugelförmigen Teilchens bzw. auf das größte Größenmaß eines nicht kugelförmigen Partikels.

Das gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung fertiggestellte, bei Hochtemperaturanwendungen zweckdienliche Pulver besteht im wesentlichen aus 4 bis 7 Gew. % Ni, 11 bis 13 Gew. % C, bis zu etwa 5 Gew. % weiteren Elementen (normalerweise Fremdstoffen) , wie zum Beispiel einem oder mehreren aus Fe, Mn, Si, W, Co. Mo und Zr, sowie dem Ausgleich Cr (typischerweise 79 bis 83 Gew. %). Es werden Bereiche von 4 bis 6 Gew. % Ni, 11,5 bis 12,5 Gew. % C, bis zu etwa 2,5 Gew. % Fremdstoffe vorgezogen, um eine optimale Oberflächenglattheit und Erosionsbeständigkeit zu erreichen. Das oben beschriebene, bekannte 80:20 Pulver enthielt etwa 16 Gew. % Nit, 10,5 Gew. % C, bis zu etwa 3 Gew. % weitere Elemente sowie den Ausgleich Cr (etwa 70,5 Gew. %).

Bei dem in der Erfindung verwendeten Metallcarbid handelt es sich vorzugsweise um Chromcarbid bzw. ein Gemisch aus diesem und einem weiteren Metallcarbid oder um ein Carbid mit vergleichbaren Eigenschaften, wie zum Beispiel Titancarbid. Die in der Erfindung verwendete Ni-Cr- Legierung besteht in der Hauptsache aus Nickel und Chrom, kann jedoch wesentliche Mengen anderer Elemente enthalten. So enthielt zum Beispiel die in Beispiel 2 unten verwendete Legierung neben Ni und Cr 7 Gew. % Eisen und 4 Gew. % Niobium. Niobium in einer Menge von etwa 1 bis 8 Gew. % stellt insofern einen wertvollen Zusatz dar, als es ein Kornwachstum in der Beschichtung hemmt.

Die relativen Mengen der Ausgangspulver und die Menge Cr in Ni werden an den individuellen Bedarf angepaßt, um Zusammensetzungen vorzusehen, bei welchen das Metallcarbid in der Ni-Cr-Legierung vor dem Sprühvorgang zum Teil gelöst wird, wobei die Carbidmenge so bemessen ist, daß sie sich während des thermischen Spritzverfahrens in der Ni-Cr-Legierung im wesentlichen komplett löst und in der Überzugsschicht nach Abkühlen weiterhin in Auflösung verbleibt. Diese Mengen variieren beträchtlich je nach verwendetem Carbid und Zusammensetzung der Ni-Cr-Legierung; vgl. Ergebnisse von Beispiel 1 und 2 unten.

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel, in welchem es sich bei dem Metallcarbid um Chromcarbid und bei der Ni- Cr-Legierung um die oben beschriebene mit 4 bis 7 Gew. % Ni, 11 bis 13 Gew. % C, bis zu etwa 5 Gew. % weiteren Elementen sowie dem Ausgleich Cr handelt, schwankt der Gehalt an Ausgangschromcarbid und der Ni-Cr-Legierung vorzugsweise zwischen 92 und 85 Gew. % CrC2 sowie 8 und 15 Gew. % Ni-Cr. Der relative Gehalt an Ni und Cr in der Ni-Cr-Legierung gemaß diesem Ausführungsbeispiel weicht von dem normalen 80:20 NICHROME ab. Das Ni:Cr- Gewichtsverhältnis variiert zwischen 70:30 und 50:50. In Beispiel 1 unten wurde Ni-Cr 50:50 in einer Menge von etwa 12 Gew. % bezogen auf 88 Gew. % Cr3C2 verwendet. Bei über 70 Gew. % Ni ist der Gehalt an Cr in der Legierung nicht ausreichend, um das Carbid komplett zu lösen. Bei weniger als 50 Gew. % Ni erfolgt keine weitere Ni-Cr- Bildung, und es entsteht eine unerwünschte Zweitphase. Sind jedoch beträchtliche Mengen anderer Elemente, wie zum Beispiel Eisen oder Niobium, vorhanden, verändern sich die obigen Bereiche, wie in Beispiel 2 unten dargestellt.

Das Pulver der vorliegenden Erfindung wurde zur Herstellung einer Erosionsbeschichtung für eine Flugzeugturbine entwickelt. Darüberhinaus wird es jedoch bei Tiefbohrlochventilen und Bohranlagenkompönenten, Dampfleitungsrohren und -ventilen sowie anderen Komponenten, deren Flächen regelmäßig Hochtemperaturgas oder -flüssigkeit, welches Erosionen verursachen kann, ausgesetzt sind, nutzbringend angwandt. In einigen Fällen ist, im Gegensatz zu Erosionsbeschichtungen von Tragflächen, ein Feinauftrag nicht erforderlich, so daß in solchen Fällen größere Teilchengrößen verwendet werden können.

Die folgenden Beispiele stellen die Erfindung dar.

BEISPIEL

Die Ausgangsmaterialien setzten sich aus Chromcarbid (CR&sub3; C&sub2;) und einem Nickel-Chrom-Legierungspulver zusammen. Die Spezifikationen lauteten jeweils wie folgt:

Chromcarbid:

< 11 Mikrometer 100%

Chemie

Kohlenstoff 12% min.

Silicium 0,25 max.

Eisen 0,30 max.

andere 1,0 max.

Chrom Balance

Nickel-Chrom-Legierung:

< 31 Mikrometer 80%

Chemie

Chrom 49-50%

Nickel 49-50%

andere 1,0 max.

Die Rohmaterialien wurden in einem Verhältnis von 90 Gew. % Chromcarbid zu 10 Gew. % Nickel-Chrom-Legierung miteinander vermischt. Das Gemisch wurde in Graphitkapseln gefüllt, von denen jede mit einem Anstrich aus Calciumcarbonat versehen wurde, um eine Kohlenstoffaufnahme zu vermeiden. Die Kapseln wurden in einer Wasserstoff-Stickstoff-Atmosphäre durch einen molybdängewickelten Kapellenofen geschoben. Die Wärmezone des Ofens betrug eine Länge von etwa 36 Inch (1m), wobei jede Kapsel die Wärmezone in etwa einer Stunde passierte. Die Temperatur in der Mitte der Wärmezone wurde auf 1300ºC+/-25ºC gehalten.

Nach Verlassen der Wärmezone trat die Kapsel in eine wasserumhüllte Abkühlungszone von etwa 5 Fuß (1,5 m) Länge ein. Kapsel und Material wurden vor Verlassen des Ofens auf etwa 100ºC abgekühlt. Flammenvorhänge am Ein- und Ausgang des Ofens schützten das Produkt vor Oxidation. Das aus dem Ofen herauskommende Produkt wies bei einer Länge von etwa 18 Inch (0,5 m), einer Breite von 3 Inch (75 mm) und einer Stärke von 1-2 Inch (25 - 50 mm) die Form eines Blockes auf.

Die Blöcke wurden sodann mit Hilfe eines gro0en Backenbrechers in Stücke von weniger als etwa 1 Inch (25 mm) vorgebrochen. Anschließend wurde ein kleinerer Backenbrecher verwendet, um die Durchschnitts- Partikelgröße auf weniger als etwa 0,25 Inch (6 mm) zu reduzieren. Das gebrochene Produktwurde sodann in eine hochenergetische, schwingende Rohrmühle eingeführt, welche effektiv genug arbeitet, um die Eisenkontamination zu minimieren und die Partikelgröße weiter zu reduzieren. Nach dem Mahlvorgang wurde das Pulver bei einer Siebgröße von -270 gesiebt, wobei der Siebrückstand zu der Mühle zwecks weiteren Brechens zurückgeführt wurde. Das -270 Material wurde unter Verwendung eines VORTEC C-1 Seriensichters luftgesiebt, um die endgültige Produktgröße zu erhalten. Die Wahl der genauen Größe basierte auf dem Einsatzzweck des mit der Beschichtung zu versehenden Produktes, und zwar Schaufeln zur Verwendung für Stufe 6 bis 12 eines 12-Stufen-Rotationskompressors eines 737-Düsentriebwerkes.

Sechs erfindungsgemäße Beispiele A - F wiesen Zusammensetzungen und ungefähre Partikelgrößenverteilungen auf, wie diese in Tabelle 1 unten genannt sind. Bei den Größenverteilungen von Teil B stellen die Werte jeder Probe den prozentualen Anteil der gesamten Partikel mit unter der Mikrometergröße in der linken Spalte liegenden Partikelgrößen dar. In Teil C ist 'mv' als 'Durchschnittswert' (mean value) zu interpretieren, wobei die auf jeden prozentualen Anteil ausgerichteten Werte eine Grenzgröße darstellen, bei welcher das angegebene Prozent der Partikel die Mikrometergröße oder eine geringere aufweist.

Tabelle 1 A. Zusammensetzung
B. Größenverteilung
C. Größenverteilungs-Zusammenfassung

OT* bezieht sich auf weitere Elemente. Die Proben A - F wurden unter Verwendung von 160 psi (10,6 Bar) Sauerstoff, 100 psi (6,3 Bar) Wasserstoff mittels HVOF- Spritzverfahren auf Edelstahlproben aufgetragen, wobei ein modifiziertes Stellite JET-KOTE-Sprühgerät benutzt wurde. Die daraus resultierenden Beschichtungen wurden mittels Sandstrahlverfahren unter Verwendung von 600 Gramm reinem Weißaluminium, 230 Grit, bei 50 - 60 psi (3,3 - 4 Bar) im Hinblick auf Erosion getestet.

Die unter Verwendung der erfindungsgemäßen Proben A - F hergestellten Beschichtungen wurden in Bezug auf 15N Rockwell-Härte (15N), Pyramidenhärte bzw. Mikrohärte (DPH), Erosionsverlust (Ew), wie oben beschrieben, sowie Glattheit (Ra) in Mikro-Inch geprüft. Wünschenswerte Konzentrationen bei Flugzeugbeschichtungen sind eine 15N Härte von mindestens 80, eine Mikrohärte von mindestens 750, ein Erosionsverlust von weniger als 125 mg/g sowie eine Glattheit von weniger als etwa 80 Ra (Mikro-Inch). In Tabelle 2 sind die Ergebnisse der unter Verwendung des erfindungsgemäßen Pulvers vorgesehenen Proben zusammengefaßt:

Tabelle 2

Wie diese Ergebnisse zeigen, wiesen die erfindungsgemäßen Proben sowohl eine ausgezeichnete Glattheit als auch Erosionsbeständigkeit auf. Das oben erörterte, bekannte 80:20 Pulver und Variationen desselben wiesen zum Vergleich bei Prüfung in den meisten Fällen ähnliche charakteristische Merkmale auf, zeigten jedoch Glattheitswerte zwischen 75 und 90 Ra sowie Erosionswerte (Ew) zwischen etwa 125 und 148 mg/g. Die erhebliche Verbesserung der Erosionsbeständigkeit der erfindungsgemäßen Proben ist im Hinblick auf den verhältnismäßig geringen Unterschied in der Gesamtzusammensetzung der Beschichtungen äußerst erstaunlich.

BEISPIEL 2

Ein weiteres, erfindungsgemäßes Pulver wurde hergestellt, indem im wesentlichen das gleiche Beispiel 1 angewandt wurde, mit der Ausnahme, daß die Zusammensetzung des Ausgangspulvers 90 Gew. % Chromcarbid und 10 Gew. % einer 20 Gew. % Cr, 4 Gew. % Nb, 7 Gew. % Fe, sehr geringe Mengen C und Mn sowie 62,5 Gew. % Ni enthaltenden Ni-Cr- Legierung aufwies. Nach erfolgtem HVOF-Spritzverfahren betrug das Ergebnis des Erosionstestes 117 Mikrogramm/Gramm, wobei der Auftrag eine zufriedenstellende, zur Verwendung für Hochtemperatur- Kompressorschaufeln geeignete Glattheit aufwies. Bei diesem Beispiel, wie auch in Beispiel 1, wurde das Carbid vor Durchführung des Spritzverfahrens in der Ni-Cr-Lösung teilweise gelöst, wobei der Gehalt an Carbid so bemessen war, daß sich dieses während des Sprühvorganges im wesentlichen komplett in der Ni-Cr-Legierung löste und in der Beschichtung in Auflösung verblieb.


Anspruch[de]

1. Pulver zur Verwendung in einem Beschichtungsverfahren durch thermisches Spritzen, welches Partikel aufweist, die im wesentlichen aus einem Metallcarbidkern bestehen, welcher zumindest zum Teil mit einer Schicht versehen ist, die sich vornehmlich aus einer, das darin gelöste Metallcarbid enthaltenden Nickel-Chrom-Legierung zusammensetzt, wobei die Partikel durch Erhitzen eines Gemisches aus feinen Ausgangspartikeln aus Metallcarbid in Gegenwart der Nickel-Chrom-Legierung unter Bedingungen gebildet werden, welche effektiv genug sind, um zu bewirken, daß eine Auflosung von etwa 60 bis 90 Gew. % des Ausgangsmetallcarbids erfolgt, und wobei der relative Gehalt an Carbid und der Nickel-Chrom-Legierung so gewählt sind, daß bei Abkühlen einer thermisch aufgesprühten, aus dem Pulver hergestellten Beschichtung im wesentlichen das gesamte Metallcarbid in Auflösung in der Nickel-Chrom-Legierung verbleibt.

2. Pulver zur Verwendung in einem Beschichtungsverfahren durch thermisches Spritzen, welches Partikel aufweist, welche im wesentlichen aus einer, darin aufgelöstes Metallcarbid enthaltenden Nickel-Chrom-Legierung bestehen, wobei die Partikel durch Erhitzen eines Gemisches aus feinen Ausgangspartikeln aus Metallcarbid in Gegenwart der Nickel-Chrom-Legierung unter Bedingungen gebildet werden, welche effektiv genug sind, um zu bewirken, daß eine Auflosung von mehr als 90 Gew. % bis 100 Gew. % des Ausgangsmetallcarbids erfolgt, und wobei der relative Gehalt an Carbid und der Nickel- Chrom-Legierung so gewählt sind, daß bei Abkühlen einer thermisch aufgesprühten, aus dem Pulver hergestellten Beschichtung im wesentlichen das gesamte Metallcarbid in Auflösung in der Nickel-Chrom-Legierung verbleibt.

3. Pulver nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem das Metallcarbid im wesentlichen aus Chromcarbid besteht.

4. Pulver nach einem der vorangegangenen Ansprüche, bei welchem die Feinpartikel des Ausgangsmetallcarbids Größen im Bereich von 1 bis 10 Mikrometer aufweisen.

5. Pulver nach einem der vorangegangenen Ansprüche, bei welchem die Partikel des Endpulvers bei einer mittleren Partikelgröße von etwa 9 bis 13 Mikrometer Partikelgrößen im Bereich von etwa 2 bis 44 Mikrometer aufweisen.

6. Pulver nach Anspruch 5, bei welchem die mittlere Partikelgröße im Bereich von 9 bis 11 Mikrometer liegt.

7. Pulver nach einem der vorangegangenen Ansprüche, welches durch die folgenden Verfahrensstufen hergestellt wurde:

Mischen von partikulärem Chromcarbid mit einer partikulären Nickel-Chrom-Legierung zur Herstellung eines Gemisches;

Sinterung des Gemisches zur Herstellung einer festen Masse;

Mahlen der festen Masse; sowie

Klassierung der gemahlenen, festen Masse, um das Pulver vorzusehen.

8. Pulver nach Anspruch 7, bei welchem das Gemisch bei einer Temperatur, welche effektiv genug ist, um bei Ausbildung der festen Masse eine Festkörperdiffusion des Chromcarbids in die Nickel-Chrom-Legierung zu bewirken, gesintert wird, wodurch aus der festen Masse ein eutektisches Gemisch entsteht, welches einen höheren Schmelzpunkt als die Nickel-Chrom-Ausgangslegierung aufweist.

9. Pulver nach Anspruch 7 oder 8, bei welchem das Gemisch bei einer Temperatur im Bereich von 1250 bis 1450ºC während einer Zeitdauer von etwa 30 bis 90 Minuten gesintert wird.

10. Pulver nach einem der vorangegangenen Ansprüche, bei welchem der Gehalt an Ausgangschromcarbid und der Nickel- Chrom-Legierung im Bereich von 92 bis 85 Gew. % Cr&sub3;C&sub2; und 8 bis 15 Gew. % Nickel-Chrom-Legierung liegt.

11. Beschichtung, welche durch thermisches Spritzen des Pulvers nach einem der vorangegangenen Ansprüche hergestellt wird.

12. Beschichtung, welche durch thermisches Oxy- Brennstoff-Hochgeschwindigkeitssprühverfahren des Pulvers nach Anspruch 10 hergestellt wird.







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