Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bekannte Verfahren zur Herstellung von temperaturbeständigen Schutzschichten auf der Basis von aluminiumhaltigen Nickel, Kobalt und/oder Platin-Schichten zu vereinfachen und eine alternative Schutzschicht gegen Hochtemperaturkorrosion zur Verfügung zu stellen.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens werden in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zum Beschichten eines Substrats, bei dem in einem ersten Schritt in einem als solchen bekannten Abscheidungsbad außenstromlos oder elektrolytisch Nickel, Kobalt und/oder Platin auf einem Substrat abgeschieden wird. Im Abscheidungsbad sind zusätzlich Partikel suspendiert, die mindestens ein Metall ausgewählt aus Magnesium, Aluminium, Titan, Zink enthalten, wobei die Partikel in die Beschichtung eingeschlossen werden. Bevorzugt, aber nicht zwingend, enthalten die Partikel kein Chrom. Im zweiten Schritt wird durch eine Wärmebehandlung die eigentliche Schutzschicht gegen Hochtemperaturkorrosion erzeugt.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren kann die Reduktion der Metallsalze elektrolytisch, d. h. durch Anlegen einer äußeren Stromquelle, oder außenstromlos, d. h. durch die Zugabe von chemischen Reduktionsmitteln, erfolgen.

Bei der elektrolytischen Abscheidung sind keine chemischen Reduktionsmittel oder deren Reaktions- bzw. Abbauprodukte im Abscheidungsbad anwesend, die in die entstehende Metallschicht eingebaut werden können und diese verunreinigen. Werden z. B. phosphorhaltige Verbindungen eingebaut, entstehen während der Wärmebehandlung Phosphide, die die Schicht spröde und damit empfindlich machen.

Vorteilhaft ist weiterhin die höhere Abscheidungsgeschwindigkeit gegenüber der außenstromlosen Reduktion.

Bei stark verwinkelten Bauteilen kann durch die Abscheidung mit chemischen Reduktionsmitteln die Ausbildung einer Schicht mit gleichmäßiger Dicke auch an Kanten und anderen Flächenübergängen erreicht werden. Die elektrolytische Abscheidung liefert in solchen Fällen ungleichmäßige Schichtdicken, da das elektrische Feld aufgrund von Abschattungsprozessen inhomogen ist.

Neben den üblichen Bestandteilen für eine außenstromlose oder elektrolytische Abscheidung sind in den Abscheidungsbädern des erfindungsgemäßen Verfahrens Partikel suspendiert, die mindestens ein Metall ausgewählt aus Magnesium, Aluminium, Titan, Zink enthalten und die in die entstehende Metallschicht eingebaut werden.

Ein räumlich gleichmäßiger Einbau der Partikel wird durch eine homogene Verteilung der suspendierten Partikel im Abscheidungsbad erreicht, die durch verschiedene Maßnahmen wie z. B. rühren, schütteln oder Ultraschallanwendung sichergestellt werden kann. Durch den räumlich gleichmäßigen Partikeleinbau ist es möglich eine Schicht mit homogenen Eigenschaften herzustellen. Vorrichtungen und Verfahren, die dazu verwendet werden können sind z. B. in der GB 1 347 184 A und der GB 2 014 189 B beschrieben.

Im zweiten Verfahrensschritt wird das beschichtete Substrat einer Wärmebehandlung, bevorzugt bei 600 bis 800°C, unterzogen. Während dieser Behandlung bildet sich eine Legierung, die die Elemente der außenstromlos oder elektrolytisch abgeschiedenen Schicht und die Elemente aus den Partikeln enthält. Außerdem diffundieren Atome aus der abgeschiedenen Schicht und den Partikeln in die Substratoberfläche, woraus eine bessere Haftung der Schicht am Substrat resultiert.

Die Mengenverhältnisse der abgeschiedenen Metalle und der Partikel werden bevorzugt so gewählt, dass stabile Phasen entstehen. Stimmen diese Verhältnisse nicht, bildet sich ein heterogenes zwei-phasiges Gemisch aus einer Legierungs- und einer Reinphase. Dieses Gemisch zeigt eine etwas weniger gute Beständigkeit gegen heiße Gase, da es durch interkristalline Korrosion angegriffen wird.

Werden aluminiumhaltige Partikel verwendet, enthält die wärmebehandelte Schutzschicht Platin, Nickel- und/oder Kobaltaluminide, die unter Hochtemperaturbedingungen in Gegenwart von Sauerstoff an der Oberfläche festhaftende und korrosionsbeständige Aluminiumoxidschichten ausbilden. Die Anwesenheit von Edelmetallen wie Platin in der Diffusionsschicht bewirkt die Ausbildung einer fehlerarmen Oxidschicht. Aluminium kann ganz oder teilweise auch durch Magnesium, Titan oder Zink ersetzt werden. Diese Metalle weisen die vorteilhafte Eigenschaft aus, bei hohen Temperaturen in Gegenwart von Sauerstoff festhaftende Oxidschichten auszubilden.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist schnell, einfach und mit geringem anlagentechnischen Aufwand durchzuführen, weil alle notwendigen Elemente, die zur Ausbildung der Schutzschicht benötigt werden, in einem Arbeitsschritt auf das Substrat aufgebracht werden können.

Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Schutzschicht fällt so glatt aus, dass die Oberfläche nur wenig oder gar nicht nachgearbeitet werden muss. Eine glatte, aerodynamische günstige Oberfläche ist für Turbinenbauteile von großer Bedeutung, um einen hohen Wirkungsgrad zu erzielen.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden Partikel verwendet, die aus einem einzigen elementaren Metall bestehen.

Elementar im Sinne des erfindungsgemäßen Verfahrens bedeutet, dass die verwendeten Partikel auch eine dünne Oxidschicht aufweisen können, die aufgrund des unedlen Charakters von Magnesium, Aluminium, Titan und Zink unter normalen Umweltbedingungen von alleine entsteht, jedoch keine zusätzlich aufgebrachte Oxidschicht und keine weiteren Bestandteile.

Diese Partikel sind nach bekannten Vorschriften einfach und kostengünstig herzustellen.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden Partikel eingesetzt, die eine Oxidschicht aufweisen, die dicker ist als die unter normalen Umweltbedingungen ausgebildete Oxidschicht.

Eine Oxidschicht mit der angegebenen Dicke bewirkt eine stark verbesserte chemische Stabilität der Partikel in sauren und in basischen Abscheidungsbädern insbesondere im pH-Bereich zwischen 4 und 9. Die verwendeten Abscheidungsbäder können dadurch länger genutzt werden, bevor sie ausgetauscht werden müssen.

Außerdem schränkt die Verwendung dieser chemisch stabileren Partikel die Auswahl des verwendeten Abscheidungsbads nicht ein, da das Abscheidungsbad gewählt werden kann, das die Metallschichten mit den besten Eigenschaften liefert und nicht das Abscheidungsbad gewählt werden muss, in dem die verwendeten Partikel stabil sind.

Magnesium, Aluminium, Titan und Zink sind unedle Metalle, die unter sauren Bedingungen nicht stabil sind, sondern sich als Metallionen lösen. Aluminium und Zink lösen sich aufgrund ihres amphoteren Charakters auch unter basischen Bedingungen als Aluminat bzw. Zinkat. Die Auflösung der Partikel im Abscheidungsbad bewirkt, dass sich im Bad allmählich störende Fremdsubstanzen anreichern. Die auf ein optimales Abscheidungsergebnis hin eingestellten Bäder werden schleichend vergiftet. In der Folge nimmt der Wirkungsgrad der Abscheidung ab. Außerdem bilden sich immer porösere Schichten, da die zunehmende Wasserstoffentwicklung die Ausbildung einer glatten, einheitlichen Schicht hoher Dichte behindert.

Bevorzugt ist die Oxidschicht mindestens doppelt so dick wie die Oxidschicht, die Magnesium-, Aluminium-, Titanund Zink-Partikel unter normalen Umweltbedingungen von alleine ausbilden.

Versuche habe gezeigt, dass Magnesium-, Aluminium- und Zink-Partikel mit einer Oxidschicht von mindestens 0,3 &mgr;m Dicke eine besonders gute chemische Stabilität aufweisen.

Es können bekannte Verfahren zur Herstellung der Oxidschicht eingesetzt werden. Das einfachste Verfahren ist die Reaktion der Metallpartikel mit heißem Wasser. Um die Dicke und Dichte der Oxidschicht zu verbessern, können inhibierende oder komplexierende Zusätze verwendet werden. Beispiele sind Carbonate, Silikate und Phosphate. Auch Oxidationsmittel wie z. B. Persulfatverbindungen oder Chromate können die Dicke und die Dichte der Oxidschicht erhöhen. Aluminium-Partikel werden bevorzugt nach dem Alrok-Verfahren, bei dem Natriumcarbonat und Kaliumdichromat zum Einsatz kommen, oder dem Erftwerk-Verfahren, bei dem Natriumcarbonat, -chromat und -silikat verwendet werden, mit einer Oxidschicht versehen.

Die Schichtdicke der Oxidhaut sollte dünn genug sein, damit das Partikel einen ausreichenden Anteil an elementarem Metall enthält, so dass die nachfolgende Legierungsbildung mit Nickel, Kobalt oder Platin nicht behindert wird.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden Magnesium-, Aluminium-, Titanund/oder Zink-Partikel eingesetzt, die mit Nickel, Kobalt und/oder Platin legiert sind.

Diese Partikel haben den Vorteil, dass sie in sauren und basischen Abscheidungsbädern mit einem pH-Wert zwischen 3 und 10 relativ stabil sind. Wie vorstehend erläutert, kann dadurch unter einer größeren Anzahl an Abscheidungsbädern gewählt werden.

Außerdem können so weitere Bestandteile für die nachfolgende Legierungsbildung im Temper-Prozess in die Schicht eingebracht werden. Dadurch wird eine noch größere Wahlfreiheit bei der Auswahl des Abscheidungsbades ermöglicht, da die Bedingungen nur für die Abscheidung eines Metalls optimiert werden müssen.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sind im Abscheidungsbad zusätzlich Silicium-Partikel suspendiert, die in die Beschichtung eingeschlossen werden.

Die wärmebehandelte, Silicium-modifizierte Schicht ist dehnbarer als Schichten ohne Silicium und zeigt daher eine geringere Tendenz zur Rissbildung.

Silicium kann auch dadurch in die Beschichtung eingebracht werden, dass mit Silicium legierte Magnesium-, Aluminium-, Titan- und/oder Zink-Partikel eingesetzt werden.

Außer von den eingesetzten Mengen ist das Verhältnis, in dem die Partikel in die Schicht eingebaut werden, von weiteren Parametern wie z. B. der Absetzgeschwindigkeit im Abscheidungsbad abhängig. Bei Partikeln, die Legierungen enthalten, ist dieses Mengenverhältnis von vornhinein festgelegt. Dadurch wird das bei der Verwendung von Partikeln aus unterschiedlichem Material auftretende Problem der unterschiedlichen Einbaurate in die Schicht umgangen.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Schicht bis zu einer Dicke von 10 bis 100 &mgr;m, bevorzugt 30 bis 70 &mgr;m, abgeschieden.

Versuche haben gezeigt, dass mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Schichten insbesondere mit einer Dicke von 10 bis 100 &mgr;m hervorragende Korrosionsbeständigkeit aufweisen.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden Partikel mit einem Durchmesser von 1 bis 50 &mgr;m, bevorzugt 5 bis 20 &mgr;m, verwendet.

Partikel dieser Größe können im Abscheidungsbad in homogener Verteilung suspendiert werden. Dadurch ist eine Voraussetzung für einen räumlich gleichmäßigen Einbau der Partikel in die abgeschiedene Schicht erfüllt.

Partikel, die kleiner als 1 &mgr;m sind, neigen in Suspension zur Aggregation, d. h. sie bilden Cluster aus. Größere Partikel als 50 &mgr;m führen selbst dann, wenn sie homogen suspendiert werden können – was mit zunehmender Größe immer schwieriger wird – zu einer ungleichmäßigen räumlichen Verteilung des Partikelmaterials in der Schicht, da sie im Vergleich zur 10 bis 100 &mgr;m dicken Schicht groß sind.

Grundsätzlich können Magnesium-, Aluminium- und Titanhaltige Partikel aufgrund ihrer geringeren Dichte größer als Zink-haltige Partikel gewählt werde.