Bauteil aus intermetall scher Verbindung mit ^" Aluminiumdiffusionsbeschichtunq

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Die Erfindung betrifft ein Bauteil aus einer intermetallischen Verbin¬ dung aus Titan und Aluminium oder aus Legierungen solcher inter¬ metallischen Verbindungen mit Legierungszusätzen als Grundwerkstoff und mit Aluminiumdiffusionsbeschichtung des Grundwerkstoffs. 0

Dieser Grundwerkstoff hat für den Triebwerksbau interessante Eigen¬ schaften. Er weist vergleichbare mechanische Eigenschaften wie konven¬ tionelle Titanlegierungen bei geringem spezifischem Gewicht auf, ist aber bei bedeutend höheren Betriebstemperaturen einsetzbar. Die Duktili- 5 tät bei Raumtemperatur dieses Grundwerkstoffes ist jedoch geringer und muß durch Legierungselemente und Wärmebehandlungsverfahren, wie sie aus DE 30 24 645 bekannt sind, verbessert werden.

Während bei konventionellen Titanlegierungen eine Sauerstoffversprödung 0 in oxidierender Atmosphäre bereits bei Temperaturen ab 550 "C einsetzt, liegt diese Temperatur bei intermetallischen Verbindungen aus Titan und Aluminium bei 700 ^e C. Die Sauerstoffversprödung hat nachteilig zur Folge, daß die geringe Duktilität bei Raumtemperatur weiter ver¬ schlechtert wird und zu einer Sprödigkeit führt, wie sie von keramischen 5 Bauteilen bekannt ist.

Um diesen Grundwerkstoff für Bauteile einzusetzten, die Betriebstempe¬ raturen von 700 *C ausgesetzt sind, wie sie bei Bauteilen vorzugsweise im Kompressor und Turbinenbereich von Triebwerken auftreten, ist eine = Geschlossene und defektfreie Aluminiumdiffusionsbeschichtung auf den hochtemperaturbelasteten BauteilOberflächen erforderlich.

Bei Anwendung herkömmlicher Alu iniumdiffusionsbeschichtungen auf Bau¬ teilen aus dem Grundwerkstoff wird keine geschlossene Aluminiumdiffu- J _Q sionsbeschichtung erreicht. Es treten nachteilig Beschichtungsdefekte mit Bereichen äußerst ungleichmäßiger Beschichtungsdicken bis zu graben- förmigen Beschichtungsstrukturen, die im Grabengrund keine Beschichtung aufweisen, auf. Bei extrem dicker Beschichtung können diese Gräben und Defekte mit Aluminium überdeckt werden. Bei Belastung des Bauteil bre¬

1 5 chen aber nachteilig diese Bereiche auf und die Aluminiumbedeckung platzt ab.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein gattungsgemäßes Bauteil und ein Ver¬ fahren zu seiner Herstellung anzugeben, bei dem keine Beschichtungs¬

20 defekte auftreten und welches bei Betriebstemperaturen von 700 ^* 0 ein¬ setzbar ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Bauteil zwischen Grundwerkstoff und Aluminiumdiffusionsbeschichtung eine ober- m r. flächennahe geschlossene Zone mit Rekristallisationsgefüge aufweist.

Wie in umfangreichen Entwicklungsarbeit festgestellt wurde, wächst eine geschlossene Aluminiumdiffusionsbeschichtung ungestört und gleich¬ mäßig nur auf einem derartigen Rekristallisationsgefüge einer inter- ₀ metallischen Verbindung als Grundwerkstoff aus Titan und Aluminium oder aus Legierungen solcher intermetallischen Verbindungen mit oder ohne Legierungszusätze. Die Vorteile dieser Erfindung bestehen darin, daß der Einsatzbereich derartiger Grundwerkstoffe wesentlich erweitert wird und konventionelle für die Massenfertigung geeignete Technologien und Ver- ₅ fahren einsetzbar werden, um derartige Bauteile herzustellen.

Bei einer bevorzugten Ausbildung der Erfindung ist die intermetallische Verbindung TiAl. Bei diesem Grundwerkstoff konnte festgestellt werden, daß Kristallite mit hoher Stapelfehlerdichte in Form von kristallogra- phischen Zwillingsebenen im Kristallit auftreten. Diese Kristallite zei¬ gen eine Plattenstruktur, wie sie bei konventionellen Titanlegierungen bisher nicht beobachtet wurden. Beim konventionellen Aluminiumdiffu¬ sionsbeschichten blieben die Zwillingsebenen unbeschichtet. Erst nach Bildung einer oberflächennahen Zone mit Rekristallisationsgefüge wurden Bauteile aus dem Grundwerkstoff mit einer geschlossenen Aluminiumdiffu- sionsbeschichtung darstellbar.

Eine besonders hohe Dichte an kristallinen Plattenstrukturen zeigen Grundwerkstoffe aus Legierungen aus den intermetallischen Verbindungen mit einem TiAl-Anteil zwischen 50 und 95 Vol.% und mit einem

Ti3Al-Anteil zwischen 5 und 50 Vol.%. Bei Bauteilen aus diesen kri¬ tischen Grundwerkstoffen, die einen höheren Anteil an Titan als TiAl aufweisen und deshalb stärker zur Sauerstoffversprödung neigen, konnten mittels der erfindungsgemäßen oberflächennahen geschlossenen Zone aus Rekristallisationsgefüge vorteilhaft gleichmäßig dicke Aluminiumdiffu- sionsbeschichtungen realisiert werden.

Zur Duktilitätsverbesserung der Bauteile aus intermetallischen Verbin¬ dungen sind vorzugsweise bis zu 4 % Legierungszusätze aus Niob, Mo- lybdän, Tantal, Wolfram oder Vanadium oder aus Mischungen derselben im Bauteilwerkstoff enthalten.

Die Tiefe der oberflächennahen geschlossenen Zone mit Rekristallisa¬ tionsgefüge beträgt mindestens 0,1 μm. Eine Rekristallisationsgefüge- tiefe zwischen 1 und 10 μ hat sich als praktikabel erwiesen, da sie sich kostengünstig vorzugsweise durch oberflächennahe Kaltverformung vorbereiten läßt. Rekristallisationsgefügetiefen zwischen 0,1 und 1 μm werden vorzugsweise durch oberflächennahes Laserschmelzen und Rekri¬ stallisieren realisiert. Bei Rekristallisationsgefügetiefen über 100 μm wächst die Gefahr, daß sich großvolumige Kristallite mit Plattenstruktur bei der Rekristallisation bilden und eine geschlossene Aluminiumdiffu- sionsbeschichtung behindern.

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Die Aufgaben ein Verfahren zur Herstellung der gattungsgemäßen Bauteile anzugeben wird durch die folgenden Verfahrensschritte gelöst. Das Bau¬ teil wird in einer oberflächennahen Zone kaltverformt oder angeschmolzen = und danach bei Rekristallisationste peratur geglüht und abschließend wird eine Aluminiumdiffusionsbeschichtung auf die rekristallisierte Zone aufgebracht. Dieses Verfahren hat den Vorteil, daß kostengünstige für die Massenfertigung geeignete Verfahrensschritte vorgesehen sind, so daß preiswert verbesserte Bauteile im Triebwerksbau einsetzbar werden.

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Zur oberflächigen Kaltverformung wird vorzugsweise ein Kugelstrahlen oder eine mechanische Bearbeitung der zu rekristallisierenden Oberflä¬ chenbereiche des Bauteils durchgeführt. Beim Kugelstrahlen wird das Bau¬ teil mit Keramikkugeln aus Al2θ3, Glaskugeln oder Stahlkugeln oberflä-

, ₅ chig bestrahlt. Die kristalline Struktur des Grundwerkstoffs wird dabei gestört und Eigenspannungen in die Oberfläche des Grundwerkstoffs ein¬ gebracht. Beim anschl eßenden Rekristallisationsglühen unterhalb der Schmelztemperatur des Werkstoffs bildet sich ein fe nkristallines Re¬ kristallisationsgefüge aus, auf dem eine Aluminiumdiffusionsschicht un-

- ₀ gestört wachsen kann. Für Oberflächenbereiche, die nicht beschichtet werden sollen, müssen beim Kugelstrahlen Schutzmaßnahmen durch Abdek- kungen oder Blenden getroffen werden.

Zum mechanischen Bearbeiten und oberflächennahen Kaltverformen können

-.3 Druckrollen, Pressen, Walzen Schlag- oder Druckschleifwerkzeuge einge¬ setzt werden.

Das Rekristallisationsgefüge kann vorzugsweise auch dadurch gebildet werden, daß die Oberfläche des Bauteils in den Bereichen, die ab- Q schließend mit Aluminium beschichtet werden sollen, zunächst mit einem Laserstrahl abgerastert und dabei angeschmolzen wird. Das hat den Vor¬ teil, daß besonders geringe Tiefen des Rekristallisationsgefüges zwi¬ schen 0,1 und 1 μm realisiert werden können und die Oberflächenbereiche geometrisch exakt ohne zusätzliche Schutzmaßnahmen abgerastert, ge- 5 schmolzen und rekristallisiert werden können.

Bei einer bevorzugten Durchführung des Verfahrens wird mittels eines Wärmezyklus ein Rekristallisieren und ein Aluminiumdiffusionsbeschichten durchgeführt, indem zunächst das oberflächig kaltverfor te oder ober¬ flächig angeschmolzene und erstarrte Bauteil auf die Rekristallisations- temperatur in einer Anlage zur Alu iniumdiffusionsbeschichtung aufge¬ heizt wird und nach erfolgter Rekristallisation die Temperatur zur Alu- miniumdiffusionsbeschichtung eingestellt und gleichzeitig alu iniumhal- tiges Sendergas zugeführt wird.

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Diese Durchführung des Verfahrens nutzt die technischen Gegebenheiten einer Anlage zur Aluminiumdiffusionsbeschichtung voll aus, da in derar¬ tigen Anlagen das Bauteil unabhängig vom Beschichtungsprozess beheizbar ist. Ferner wird die Kontaminationsgefahr vermindert, da ein Aus- oder

15 Umbau zwischen Rekristallisationsglühen und Beschichten eingespart wird, was gleichzeitig auch die Verfahrenskosten mindert.

Vorzugsweise wird das Bauteil während der Rekristallisation einem ver¬ minderten Druck oder einer Schutzgasatmosphäre ausgesetzt, so daß der

20 Wärmezyklus bis zum Zuführen des aluminiumhaltigen Spendergases unter Schutzgas oder vermindertem Druck erfolgt. Das hat den Vorteil, daß die Bauteiloberfläche vor Fremdstoffen und vor Oxidationsvorgängen geschützt bleibt.

Das Pulverpackverfahren ist für die Aluminiumdiffusionsbeschichtung von Bauelementen aus Eisen-, Nickel- oder Kobaltbasislegierung bekannt. Ferner werden zur Erzeugung von Aluminiumspendergasen die unter¬ schiedlichsten Aluminiumdonatoren eingesetzt. Als bevorzugtes Verfahren für die Aluminiumdiffusionsbeschichtung wird das Pulverpackverfahren ,- eingesetzt und zur Erzeugung eines Spendergases ein Aluminiumdonator der ternären Legierung Ti/Al/C verwendet. Dabei bewirkt der Kohlenstoffan¬ teil, daß die im Pulverpack verbliebenen Restsauerstoffkonzentrationen durch Kohlenmonoxid- und Kohlendioxidbildungen abgebunden bzw. neu¬ tralisiert werden, während Ti und AI dem Grundwerkstoff entsprechen und

35 deshalb den Wachstumsprozess einer Alu iniumdiffusionsbeschichtung auf dem Grundwerkstoff fördern.

Die Fig. zeigen Durchführungsbeispiele für ein Aluminiumdiffusinsbe- schichten von Bauteilen aus intermetallischen Verbindungen aus Titan und Aluminium.

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Fig. 1 zeigt eine Aluminiumdiffusinsbeschichtung von Bauteilen aus intermetallischen Verbindungen aus Titan und Aluminium ohne oberflächennahe Zone mit Rekristallisationsgefüge.

_1C Fig. 2 zeigt das Photo eines metallurgischen Schliffbildes durch ein Material nach Fig. 1 im Bereich des Ausschnittes A.

Fig.3 zeigt eine Aluminiumdiffusinbeschichtung von Bauteilen aus in¬ termetallischen Verbindungen aus Titan und Aluminium mit ober-

-.L O- flächennaher Zone mit Rekristallisationsgefüge.

Fig.4 zeigt das Photo eines metallurgischen Schliffbildes durch ein Material nach Fig.3 im Bereich des Ausschnittes B.

20 Fig. 1 zeigt eine Aluminiumdiffusionsbeschichtung 1 von Bauteilen aus intermetallischen Verbindungen aus Titan und Aluminium ohne oberflächen¬ nahe Zone mit Rekristallisationsgefüge, wobei der Grundwerkstoff 2 in großvolumigen Kristalliten 3 bis 8 erstarrt ist. Einer der Kristallite 3 zeigt eine ausgeprägte Plattenstruktur mit Stapelfehlern in Form von

25 Zwillingsebenen 9. an den Durchstoßlinien 10 dieser Fehlstellen entlang der Oberfläche weist die Aluminiu diffusionsbeschichtung grabenförmige Fehler auf. Eine fehlerfreie Beschichtung wird nur auf den Kristalliten 4, 5 und 8 festgestellt, die keine Plattenstruktur aufweisen. Der skiz¬ zierte Ausschnitt A wurde mit einem metallographischen Schliff unter- _Q sucht. Das Ergebnis zeigt Fig. 2..

Fig. 2 zeigt das Photo eines metallurgischen Schliffbildes durch ein Material nach Fig. 1 im Bereich des Ausschnitts A. Dazu wurde eine Laufschaufel eines Triebwerks aus TiAl in einer Pulverpackanlage mit der yy. ternären Legierung aus Ti/Al/C als Aluminiumdonator an ihrer Schau- feiblattoberflache beschichtet. Die Aluminiumdiffusionsbeschichtung 1

zeigt im Bereich des Kristalliten 3 mit ausgeprägter Plattenstruktur erhebliche Defekte.

Fig. 3 zeigt eine Aluminiumdiffusionsbeschichtung 1 von Bauteilen aus intermetallischen Verbindungen aus Titan und Aluminium mit oberflächen¬ naher Zone 11 mit Rekristallisationsgefüge. Der Grundwerkstoff 2 zeigt großvolumige Kristallite 12 bis 14 mit 12 und ohne Plattenstruktur 13 bis 15. In Oberflächennähe weist der Grundwerkstoff 2 eine geschlossene Zone 11 mit Rekristallisationsgefüge auf, die von einer geschlossenen Schicht aus Aluminium gleichmäßig ohne Fehlstellen bedeckt ist. Der skizzierte Ausschnitt B wurde mit einem etallographisehen Schliff un¬ tersucht.

Fig. 4 zeigt das Photo eines metallurgis ^\' chen Schliffbildes durch ein Material nach Fig. 3 im Bereich des Ausschnitts B. Dazu wurde eine Leitschaufel eines Triebwerks aus 60 Vol .% TiAl und 40 Vol .% TißAl zu¬ nächst oberflächig bis zu einer Tiefe von 5 μm mittels Kugelstrahlen kaltverformt und anschließend in einer Aluminiumpulverpackanlage rekri- stallisationsgeglüht und schließlich mit einer 5 μm dicken Alumi- niumdiffusionsbeschichtung 1 versehen. Wie das metallurgische Schliff¬ bild zeigt, ist eine vollkommen gleichmäßige Aluminiumbeschichtung 1 selbst über dem Kristalli 12 mit ursprünglich äußerst ausgeprägter Plattenstruktur beim Aluminiumdiffusionsprozess in der Aluminiumpulver- packanlage auf dem Grundwerkstoff 2 gewachsen.