CZ300909B6 - Vícevrstvový vazební povlak pro povlakový systém tepelné ochranné bariéry a zpusob jeho vytvorení - Google Patents

Vícevrstvový vazební povlak pro povlakový systém tepelné ochranné bariéry a zpusob jeho vytvorení Download PDF

Info

Publication number
CZ300909B6
CZ300909B6 CZ20004537A CZ20004537A CZ300909B6 CZ 300909 B6 CZ300909 B6 CZ 300909B6 CZ 20004537 A CZ20004537 A CZ 20004537A CZ 20004537 A CZ20004537 A CZ 20004537A CZ 300909 B6 CZ300909 B6 CZ 300909B6
Authority
CZ
Czechia
Prior art keywords
bond coat
coat layer
bond
layer
metal powder
Prior art date
Application number
CZ20004537A
Other languages
English (en)
Other versions
CZ20004537A3 (cs
Inventor
Zheng@Xiaoci
Original Assignee
General Electric Company
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by General Electric Company filed Critical General Electric Company
Publication of CZ20004537A3 publication Critical patent/CZ20004537A3/cs
Publication of CZ300909B6 publication Critical patent/CZ300909B6/cs

Links

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C4/00—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge
    • C23C4/02—Pretreatment of the material to be coated, e.g. for coating on selected surface areas
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C28/00—Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D
    • C23C28/30—Coatings combining at least one metallic layer and at least one inorganic non-metallic layer
    • C23C28/32—Coatings combining at least one metallic layer and at least one inorganic non-metallic layer including at least one pure metallic layer
    • C23C28/321—Coatings combining at least one metallic layer and at least one inorganic non-metallic layer including at least one pure metallic layer with at least one metal alloy layer
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C28/00—Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D
    • C23C28/30—Coatings combining at least one metallic layer and at least one inorganic non-metallic layer
    • C23C28/32—Coatings combining at least one metallic layer and at least one inorganic non-metallic layer including at least one pure metallic layer
    • C23C28/321—Coatings combining at least one metallic layer and at least one inorganic non-metallic layer including at least one pure metallic layer with at least one metal alloy layer
    • C23C28/3215—Coatings combining at least one metallic layer and at least one inorganic non-metallic layer including at least one pure metallic layer with at least one metal alloy layer at least one MCrAlX layer
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C28/00—Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D
    • C23C28/30—Coatings combining at least one metallic layer and at least one inorganic non-metallic layer
    • C23C28/32—Coatings combining at least one metallic layer and at least one inorganic non-metallic layer including at least one pure metallic layer
    • C23C28/325—Coatings combining at least one metallic layer and at least one inorganic non-metallic layer including at least one pure metallic layer with layers graded in composition or in physical properties
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C28/00—Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D
    • C23C28/30—Coatings combining at least one metallic layer and at least one inorganic non-metallic layer
    • C23C28/34—Coatings combining at least one metallic layer and at least one inorganic non-metallic layer including at least one inorganic non-metallic material layer, e.g. metal carbide, nitride, boride, silicide layer and their mixtures, enamels, phosphates and sulphates
    • C23C28/345—Coatings combining at least one metallic layer and at least one inorganic non-metallic layer including at least one inorganic non-metallic material layer, e.g. metal carbide, nitride, boride, silicide layer and their mixtures, enamels, phosphates and sulphates with at least one oxide layer
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C28/00—Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D
    • C23C28/30—Coatings combining at least one metallic layer and at least one inorganic non-metallic layer
    • C23C28/34—Coatings combining at least one metallic layer and at least one inorganic non-metallic layer including at least one inorganic non-metallic material layer, e.g. metal carbide, nitride, boride, silicide layer and their mixtures, enamels, phosphates and sulphates
    • C23C28/345—Coatings combining at least one metallic layer and at least one inorganic non-metallic layer including at least one inorganic non-metallic material layer, e.g. metal carbide, nitride, boride, silicide layer and their mixtures, enamels, phosphates and sulphates with at least one oxide layer
    • C23C28/3455—Coatings combining at least one metallic layer and at least one inorganic non-metallic layer including at least one inorganic non-metallic material layer, e.g. metal carbide, nitride, boride, silicide layer and their mixtures, enamels, phosphates and sulphates with at least one oxide layer with a refractory ceramic layer, e.g. refractory metal oxide, ZrO2, rare earth oxides or a thermal barrier system comprising at least one refractory oxide layer

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Coating By Spraying Or Casting (AREA)
  • Other Surface Treatments For Metallic Materials (AREA)

Abstract

Podle predloženého rešení vynálezu se navrhuje zpusob nanášení vazebního povlaku (16) povlakového systému (TBC) tepelné ochranné bariéry (14) pro soucásti vystavené teplotnímu zatížení, napríklad komponenty turbíny. Zpusob vytvorení hutného a celistvého dvouvrstvého vazebního povlaku (16) spocívá v nanášení první vazební povlakové vrstvy (16a) za použití metody vysokorychlostního nastrikování v proudu kyslíkového paliva (HVOF) a relativne jemného kovového prášku s relativne úzkým rozmezím rozdelení velikosti cástic. Po následne provedeném tepelném zpracování se na tuto první vazební povlakovou vrstvu (16a) nanáší druhá vazební povlaková vrstva (16b) za použití metody plazmatického nastrikování v okolní atmosfére (APS) a relativne hrubšího kovového prášku s relativne širším rozmezím rozdelení velikosti cástic. Po následne provedeném druhém tepelném zpracování se na takto vytvorený vazební povlak (16) nanáší keramická povlaková vrstva (18), která se s tímto vazebním povlakem (16) adhezne váže prostrednictvím existence vzájemných mechanických vazebních spojení, které jsou dusledkem príslušné drsnosti povrchu druhé vazební povlakové vrstvy (16b).

Description

(57) Anotace:
Podle předloženého řešení vynálezu se navrhuje způsob nanášení vazebního povlaku (16) povlakového systému (TBC) tepelné ochranné bariéry (14) pro součásti vystavené teplotnímu zatížení, například komponenty turbíny. Způsob vytvoření hutného a celistvého dvou vrstvého vazebního povlaku (16) spočívá v nanášení první vazební povlakové vrstvy (16a) za použití metody vysokorychlostního nastfikování v proudu kyslíkového paliva (HVOF) arclativnč jemného kovového prášku s relativné úzkým rozmezím rozdělení velikosti částic. Po následně provedeném tepelném zpracování se na tuto první vazební povlakovou vrstvu (16a) nanáší druhá vazební povlaková vrstva (16b) za použití metody plazmatického nastfikování v okolní atmosféře (APS) a relativné hrubšího kovového prášku s relativně širším rozmezím rozdělení velikosti částic. Po následně provedeném druhém tepelném zpracování se na takto vytvořený vazební povlak (16) nanáší keramická povlaková vrstva (18), která se s tímto vazebním povlakem (16) adhezně váže prostřednictvím existence vzájemných mechanických vazebních spojení, které jsou důsledkem příslušné draiosti povrchu druhé vazební povlakové vrstvy (16b).
Vícevrstvový vazební povlak pro povlakový systém tepelné ochranné bariéry a způsob jeho vytvoření
Oblast techniky
Předložený vynález se týká ochranných povlaků strojních součástí vystavených během jejich provozního chodu působení vysokých teplot, například takových jako jsou dílčí komponenty plynových turbínových strojů. Konkrétně řečeno, cílem předloženého vynálezu je navržení způlo sobu vytváření vazebního povlaku jako součásti povlakového systému tepelné ochranné bariéry, a obzvláště hutného a celistvého vícevrstvového vazebního povlaku s požadovanou úrovni drsnosti povrchu za účelem zdokonalení vzájemného mechanického vazebního spojení mezi vazebním povlakem a na tomto povlaku naneseným tepelně izolačním bariérovým povlakem.
Dosavadní stav techniky
Pracovní prostředí uvnitř plynového turbínového stroje je jak z hlediska tepelného působení, tak i z hlediska chemického působení nepříznivé. Významný a podstatný pokrok z hlediska žáru20 vzdorných, při vysokých teplotách odolných slitin byl dosažen prostřednictvím chemického složení vysoce legovaných slitin na bází železa, niklu nebo kobaltu, nicméně příslušné komponenty z takových slitin vytvořené nejsou v častých případech způsobilé snášet dlouhodobé vystavení vlivu a působení pracovního prostředí, pokud jsou tyto dílčí komponenty uspořádané v určitých úsecích plynového turbínového stroje, ve kterých působí vysoká pracovní teplota, například takových jako jsou vlastní turbína, spalovací komora nebo rozváděči prostředky. Příklady takových dílčích komponent zahrnují lopatky a trysky turbínového úseku plynového turbínového stroje. Běžně ve stávajícím stavu techniky používaným opatřením z hlediska zvýšení provozní životnosti je ochrana povrchů takových dílčích komponent prostřednictvím vnějšího ochranného povlakového systému, například takového jako je ochranný hliníkový povlak, vrchní překrývací povlak nebo povlakový systém (TBC) tepelné ochranné bariéry. Posledně zmiňovaný povlakový systém tepelné ochranné bariéry zahrnuje tepelně izolační povlakovou vrstvu vytvořenou z keramického materiálu (tepelně izolační bariérový povlak, neboli TBC), která je se substrátem zhotoveným z vysoce legované slitiny adhezně spojená prostřednictvím vůči působení okolního prostředí rezistentního vazebního povlaku.
Jako materiál pro vytváření keramické tepelně izolační povlakové vrstvy se zpravidla, v širokém rozsahu, používají oxidy kovů, například oxid zirkoničitý ZrO2 částečně nebo komplexně stabilizovaný oxidem yttrítým Y2O3, oxidem horečnatým MgO, nebo dalším pro tento účel použitelným oxidem. Vytváření keramické povlakové vrstvy se typicky provádí prostřednictvím technologie plazmatického nanášení stříkáním a to metodou plazmatického nastříkování v okolní atmosféře (APS), metodou vakuového plazmatického nastrikování (VPS) (ve stavu techniky známé též jako nízkotlaké plazmatické nastříkování (LPPS)), nebo prostřednictvím technologie fyzikálního nanášení srážením par odpařovaného povlakového materiálu (PVD), například metody fyzikálního nanášení srážením par odpařovaného povlakového materiálu za použití elektronového paprsku (EBPVD), která poskytuje povlak s deformačnímu napětí odolnou sloupcovitou strukturou. Ve většině případů se, ve srovnání s ostatními metodami nanášení ochranných povlaků, upřednostňuje metoda APS, a to zejména proto, že tato metoda vyžaduje nízké náklady na příslušné vybavení, snadno se aplikuje a neklade velké nároky na maskování, respektive zakrytí nanášení nepodrobovaných částí zpracovávaných komponent. Z hlediska adhezního mechanismu pro účely vzájemného mechanického vazebního spojení s vazebním povlakem je významné, že metodou plazmatického nastříkování nanášené keramické povlakové vrstvy vykazují relativně drsný povrch, přičemž drsnost povrchu Ra se s výhodou pohybuje v rozmezí přibližně 350 až 750 milióntin palce (cca 9 až 19 pm).
Pro vytváření vazebních povlaků se typicky používají buď oxidačně rezistentní slitiny, to je slitiny odolné proti oxidaci, například takové jako slitiny typu MCrAIY, kde M představuje železo, kobalt a/nebo nikl, nebo difúzní komplexní sloučeniny hliníku či komplexní sloučeniny hliníku s platinou, které tvoří oxidačně rezistentní intermetalické fáze, a nebo jejich vzájemné kombinace.
Vazební povlaky vytvořené ze směsí takového chemického složení zajišťuji ochranu pod nimi se nacházejícího substrátu z vysoce legované slitiny prostřednictvím vytváření antioxidační ochranné bariéry na povrchu uvedeného substrátu z vysoce legované slitiny. Přičemž především přítomnost hliníku v materiálech, ze kterých se tyto vazební povlaky vytvářejí, zajišťuje při zvýšených teplotách generování pozvolného nárůstu hutné, celistvé a adhezní přilnavost vykazující io hliníkové oxidické vrstvy (oxidem hlinitým tvořeného oxidického povlakového filmu). Uvedený oxidický povlakový film tvořený oxidem hlinitým zajišťuje jednak ochranu vazebního povlaku proti oxidaci a jednak zdokonalení vzájemného vazebního spojení keramické povlakové vrstvy s vazebním povlakem.
is Kromě shora uvedených povlaků vytvořených za použití technologií založených na principu difúze a technologií nanášení uskutečňovaného fyzikální nebo chemickou cestou se aplikace vazebních povlaků typicky realizuje za použití jednak technologie tepelného plazmatického nastřikování, například metody nastřikování APS a metody nastřikování VPS, a jednak technologie vysokorychlostního nastřikování povlaků v proudu kyslíkového paliva (HVOF), kteréžto všechny zmi2o ňované metody nanášení povlaků nastřikováním se týkají vytváření vazebního povlaku z kovového prášku. Strukturní uspořádání a fyzikální vlastnosti takto vytvořených vazebních povlaků jsou vysoce závislé na zvolené metodě nanášení a na požadovaném vybavení, jehož prostřednictvím se nanášení těchto vazebních povlaků realizuje. Během nanášení vazebních povlaků za použití metody nastřikování VPS dochází k oxidaci kovových částic nanášeného povlakového materiálu pouze v nepatrném rozsahu, takže výsledné vazební povlaky jsou hutné, celistvé a prosté oxidů, a za tohoto stavu jsou, díky jejich schopnosti zajistit generování a nárůst celistvého ochranného oxidického povlakového filmu, schopné zajišťovat ochranu při vysokých teplotách (například při teplotách nad 1000 °C (cca 1800 °F)). Vzhledem k tomu, že pro tavení kovového prášku určeného k nanášení nastřikováním je potřebná relativně nízká tepelná kapacita, používají jo se pro metody nastřikování VPS typicky kovové prášky vykazující velmi jemnou zrnitost, respektive sestávají z částic s malou velikostí, což ve svém důsledku představuje, že vazební povlaky aplikované metodou nastřikování VPS jsou sice hutné a celistvé, ale zároveň vykazují relativně hladké povrchy (vykazující typicky drsnost povrchu Ra v rozmezí 200 až 350 milióntin palce (cca 4 až 9 pm)). V důsledku toho plazmatickým nastřikováním nanesené keramické povla35 kové vrstvy nevykazují dobrou adhezní přilnavost k vazebním povlakům vytvořeným metodou VPS.
Naproti tomu metoda plazmatického nastřikování v okolní atmosféře vyžaduje vzhledem k přítomnosti normální atmosféry vyšší tepelnou kapacitu. Tato vyšší tepelná kapacita metody nastři40 kování APS umožňuje tavení relativně větších částic, což ve svém důsledku výslovně umožňuje použití kovových prášků, které poskytují vytváření vazebních povlaků vykazujících ve srovnání s metodou nastřikování VPS povrch s větší drsností. Právě tato docílená drsnost povrchu vazebního povlaku vytvořeného metodou APS, jejíž hodnota Ra se pohybuje například v rozmezí 350 až 750 milióntin palce (cca 9 až 19 pm), což je rozmezí pro plazmatickým nástřikem nanášené kera45 mické povlakové vrstvy vyhovující, zlepšuje adhezní přilnavost keramické povlakové vrstvy k tomuto vazebnímu povlaku. Zrnitost, respektive rozložení velikosti částic takových kovových práškuje v důsledku použitého procesu prosévání Gaussovým rozložením, které je typicky, co do velikosti částic velmi široké a zajišťuje, že jemnější, respektive menší částice vyplňují intersticiální mezery mezi většími částicemi, což ve svém výsledku přináší snižování porovitosti. Nic50 méně, uvedené jemnější částice jsou náchylné k oxidaci během procesu nastřikování, v důsledkem čehož výsledný vazební povlak vykazuje velmi vysoký obsah oxidů. Kromě toho nízká pohybová energie částic při nastřikování metodou APS podporuje nárůst porovitosti výsledného naneseného povlaku. Vzhledem k uvedeným skutečnostem plazmatickým nastřikování metodou APS vytvořené vazební povlaky neodmyslitelně obsahují relativně vysoký obsah oxidů a vyka55 zují větší pórovitost než vazební povlaky vytvořené metodou VPS, vykazující například hustoty větší než 95 % teoretické hustoty. V důsledku uvedeného vyššího obsahu oxidů a větší pórovitosti jsou vazební povlaky vytvořené metodou APS mnohem více náchylné k oxidaci než vazební povlaky vytvořené metodou VPS.
Vazební povlaky nanášené metodou nastřikování HVOF jsou zase velmi citlivé z hlediska zrnitosti kovového prášku, a to zejména kvůli relativně nízkým teplotám nastřikování používaným při realizaci této metody. Vzhledem k tomu jsou charakteristické parametry metody HVOF nastaveny pro nanášení nastřikováním takových kovových prášků, které vykazují velmi omezenou zrnitost, respektive velmi úzký rozsah rozložení velikosti částic. Proto, za účelem vytváření io vazebního povlaku s drsností povrchu Ra alespoň 350 milióntin palce, je nezbytné použít ve spojení s metodou nastřikování HVOF hrubý kovový prášek. Avšak vzhledem k typické neuskutečnitelnosti úplného roztavení částic hrubého kovového prášku při odpovídajících charakteristických parametrech metody HVOF, vykazuje v důsledku uvedené skutečnosti výsledný vazební povlak relativně vysokou pórovitost a nevyhovující vzájemné vazební spojení mezi jednotlivými ís nastřikováním nanesenými částicemi. Proto se ve spojení s metodou nastřikování HVOF za účelem vytváření hutnějšího a více celistvého vazebního povlaku musí typicky použít jemnější kovový prášek, čehož výsledkem je zase špatná adhezní přilnavost tepelně izolačního bariérového povlaku k vazebnímu povlaku v důsledku nedostatečných charakteristických povrchových vlastností vazebního povlaku, které poskytují příslušnou mikro-drsnost povrchu.
Ze shora uvedených skutečností může být seznatelné, že ačkoli byly použití vazebních povlaků nanášených za použití různých technologických postupů bylo relativné úspěšné, vykazuje každý z těchto vazebních povlaků jak určité výhody, tak i určité nevýhody, na které je nezbytné pro danou konkrétní realizaci brát ohled. Především v případě metody nastřikování APS, neboť, ačkoli tato metoda APS poskytuje relativně snadné vytvoření vazebních povlaků vykazujících z hlediska zajištění odpovídající adhezní přilnavosti pro plazmatickým nastřikováním vytvořené keramické povlakové vrstvy adekvátní drsnost, představují pórovitost a náchylnost takto vytvořených vazebních povlaků k oxidaci nevýhody co se týče zajištění vlastní ochrany a odpovídající adhezní přilnavosti pro pod nimi se nacházející substráty. Proto je nezbytné zajistit takový tech30 nologický postup, jehož prostřednictvím by bylo možné docílit pro plazmatickým nastřikováním vytvořené keramické povlakové vrstvy nezbytně nutnou a odpovídající drsnost povrchu příslušného vazebního povlaku, a současně sníženou pórovitost a náchylnost tohoto vazebního povlaku k oxidaci.
Podstata vynálezu
Vzhledem ke shora uvedenému se tudíž podle předloženého vynálezu navrhuje vazební povlak, který tvoří součást povlakového systému (TBC) tepelné ochranné bariéry, a který je určený pro komponenty navržené a konstruované pro použití v z hlediska tepelného působení nepříznivém prostředí, například takové komponenty jako turbínové lopatky a trysky, dílčí komponenty spalovací komory, a dílčí komponenty rozváděčích prostředků, které jsou součástí plynového turbínového stroje. Podle předloženého vynálezu se dále navrhuje způsob nanášení vazebního povlaku, který poskytuje adekvátní drsnost povrchu zajišťující odpovídající adhezní přilnutí plazmatickým nástřikem vytvořené keramické povlakové vrstvy, a současně poskytuje vytvoření vazebního povlaku, který je dostatečně hutný a celistvý, a který v důsledku toho zajišťuje potlačení difúze kyslíku nebo dalších oxidačních činidel do substrátu povlakem opatřované komponenty. V důsledku uvedených skutečností vazební povlaky vytvořené za použití způsobu podle předloženého vynálezu zajišťují odpovídající ochranu a poskytují docílení takových povlakových systémů tepelné ochranné bariéry, které jsou vysoce odolné proti poškození odlupováním nebo vytvářením trhlin.
Navrhovaný způsob, obecně řečeno, spočívá ve vytváření vazebního povlaku nanášením první vazební povlakové vrstvy na příslušný substrát za použití metody HVOF a prvního kovového prášku vykazujícího maximální velikost částic 55 mikrometrů (pm) s tím, že pro uvedený účel
vyhovující velikost částic se pohybuje v rozmezí 20 až 55 pm. Výsledná vazební povlaková vrstva vykazuje drsnost povrchu Ra v rozmezí přibližně 200 až 450 milióntin palce (cca 5 až 11 pm). Tato první vazební povlaková vrstva se ještě před tím než dochází k jejímu vystavení působení vysokoteplotního oxidačního prostředí podrobuje tepelnému zpracovávání ve vakuu nebo v inert5 ní atmosféře za účelem zhutnění první vazební povlakové vrstvy a pro zajištění difúzního vazebního spojení v ní obsažených částic. Na tuto první vazební povlakovou vrstvu se následně nanáší druhá vazební povlaková vrstva za použití metody plazmatického nastřikování v okolní atmosféře a druhého kovového prášku, jehož částice vykazují velikost pohybující se v rozmezí přibližně 35 až 110 pm. Důvodem nanášení druhé povlakové vazební vrstvy sestávající ze druhých čásio tic je vytvoření takové druhé vazební povlakové vrstvy, která vykazuje pórovitost menší než 5 % teoretické hustoty a makro-drsnost povrchu Ra v rozmezí přibližně 11 až 19 pm (450 až 750 milióntin palce). Uvedené, první a druhá, vazební povlakové vrstvy se podrobují tepelnému zpracovávání ve vakuu nebo v inertní atmosféře pro zajištění difúzního vazebního spojení druhé vazební povlakové vrstvy s první vazební povlakovou vrstvou, které se provádí ještě před tím než dojde k vystavení těchto vazebních povlakových vrstev působení vysokoteplotního oxidačního prostředí. Na takto vytvořený vazební povlak pak může následně být nanášena tepelně izolační keramická povlaková vrstva, jejíž adhezní přilnutí k vazebnímu povlaku se uskutečňuje prostřednictvím mechanických vazebních spojení realizovaných na základě existence odpovídající drsnosti povrchu druhé vazební povlakové vrstvy tohoto vazebního povlaku.
Dosažená drsnost povrchu výsledného dvouvrstvového vazebního povlaku je, podle předloženého vynálezu, důsledkem použití částic druhého kovového prášku, u kterých nedojde během jejich nanášení k úplnému roztavení a takto poskytující výslednou makro-drsnost povrchu Ra alespoň cca 11 pm (450 milióntin palce). Jemnější, neboli co do velikosti menší částice druhého kovové25 ho prášku vyplňují intersticiální mezery mezi většími částicemi v takovém rozsahu, který postačuje k dosažení hustoty alespoň cca 95 % teoretické hustoty. Jemnější, neboli co do velikosti menší částice druhého kovového prášku kromě toho podporují a jsou jednou z příčin existence mikro-drsnosti povrchu vazebního povlaku, která zase slouží, v kombinaci s makro-drsností povrchu poskytovanou prostřednictvím hrubších částic, pro účely značného zdokonalení výsledné adhezní přilnavosti tepelně izolačního bariérového povlaku.
Ze shora uvedených skutečností může být seznatelné, že způsob nanášení povlaků navrhovaný podle předloženého vynálezu zajišťuje vytváření vazebního povlaku s nízkou pórovitosti a vykazujícího odpovídající drsnost povrchu, která je nezbytně nutná pro vytváření plazmatickým nastřikováním nanášené keramické povlakové vrstvy povlakového systému tepelné ochranné bariéry. Vzhledem k tomu jsou vazební povlaky, respektive vazební povlakové vrstvy vytvářené za použití způsobu podle předloženého vynálezu způsobilé pro nanášení a adhezní vazební spojování plazmatickým nastřikováním nanášených keramických povlakových vrstev tak, aby výsledný povlakový systém tepelné ochranné bariéry vykazoval požadovaný stupeň odolnosti proti poškození vytvářením trhlin nebo odlupováním, a zároveň byl schopný zajistit potlačení oxidace pod ním se nacházejícího substrátu.
Přehled obrázků na výkresech
Ostatní cíle, charakteristické znaky, a výhody předloženého vynálezu budou blíže ozřejměny prostřednictvím dále uvedeného podrobného popisu jeho příkladných konkrétních provedení ve spojení s výkresovou dokumentací, ve které:
obr. 1 představuje schematicky znázorněný povlakový systém tepelné ochranné bariéry s dvouvrstvovým vazebním povlakem nanášeným za použití způsobu podle předloženého vynálezu.
Příklady provedení vynálezu
Předložený vynález je obecně použitelný pro takové kovové komponenty, které je třeba zabezpe5 čit proti působení tepelně a chemicky nepříznivého pracovního prostředí prostřednictvím povlakového systému (TBC) tepelné ochranné bariéry. Příklady z tohoto hlediska obzvlášť významných dílčích komponent zahrnují jednak lopatky a trysky nízkotlakých a vysokotlakých turbínových stupňů, bandáže lopatkování těchto turbínových stupňů, ochranné vložky spalovací komory, a technické vybavení rozváděčích prostředků plynových turbínových strojů, a dále lopatky pro ío práci v průmyslu určených proudových a turbínových motorů. Ačkoli jsou výhody předloženého vynálezu využitelné zejména ve spojení s dílčími komponentami plynových turbínových strojů, jsou skutečnosti v tomto vynálezu uváděné obecně aplikovatelné na každou komponentu nebo dílčí součást, v kombinaci se kterou je možné uplatnit tepelnou ochrannou bariéru za účelem jejího tepelného odizolování vůči vlivu působení pracovního působení prostředí, ve kterém je tato komponenta nebo dílčí součást uspořádaná.
Připojený obr. 1 představuje částečný příčný řez příkladnou dílčí komponentou JO plynového turbínového stroje, která je opatřená povlakovým systémem J_4 tepelné ochranné bariéry vytvořeným podle předloženého vynálezu. Tento povlakový systém Γ4 tepelné ochranné bariéry je zná20 zorněný jako povlakový systém zahrnující keramickou tepelně izolační povlakovou vrstvu 18. která je s příslušným substrátem 12 vazebně spojená prostřednictvím dvouvrstvového vazebního povlaku 16. Vzhledem k tomu, že se v případě plynového turbínového stroje jedná o komponenty vystavené působení vysokých teplot, může být tento substrát 12 zhotovený z vysoce legovaných slitin na bázi železa, niklu nebo kobaltu, ačkoli lze v této souvislosti předpokládat možné použití i dalších žáruvzdorných, pri vysokých teplotách odolných materiálů. Uvedená keramická povlaková vrstva 18 se podle tohoto vynálezu vytváří zas použití technologie plazmatického nanášení stříkáním, například takové jako je metoda plazmatického nastřikování v okolní atmosféře (APS) a metoda vakuového plazmatického nastřikování (VPS), přičemž posledně zmiňovaná metoda je ve stavu techniky také známá jako nízkotlaké plazmatické nastřikování (LPPS). Přednostně pou30 žívaným materiálem pro vytváření této keramické povlakové vrstvy 18 je oxid zirkoničitý stabilizovaný oxidem yttritým (YSZ), přestože je pro tento účel možné použít i další materiály, zahrnující například oxid yttritý, částečně stabilizovaný oxid zirkoničitý, nebo oxid zirkoničitý stabilizovaný prostřednictvím dalších oxidů, například takových jako je oxid horečnatý MgO, oxid ceričitý CeO2, nebo oxid skanditý SC2O3.
Vazební povlak 16 musí být rezistentní vůči působení kyslíku nebo oxidů tak, aby byl schopný zajistit odpovídající ochranu pod tímto povlakem se nacházejícího substrátu 12 proti nežádoucí oxidaci a zároveň musí umožňovat dosažení mnohem houževnatějšího a spolehlivějšího adhezního přilnutí plazmatickým nastřikováním nanášené keramické povlakové vrstvy 18 k substrátu 12.
Kromě toho musí být vazební povlak 16 dostatečně hutný a celistvý z důvodu zajištění potlačení difúze kyslíku a dalších oxidačních činidel do substrátu 12. Ještě před započetím prováděním nebo během vlastního nanášení keramické povlakové vrstvy 18 může být na povrchu vazebního povlaku 16 prostřednictvím jeho podrobení působení zvýšených teplot opatřený povlakový film tvořený oxidem hlinitým (A12O3) poskytující povrch, který vykazuje dobrou adhezní přilnavost, a na kterém bude keramická povlaková vrstva J_8 dobře ulpívat a spolehlivě se s tímto povrchem adhezně vázat. Pro tento účel obsahuje vazební povlak 16 s výhodou činidla zajišťující vytváření oxidu hlinitého a/nebo oxidů chrómu, neboli hliník, chrom, jejich slitiny a intermetalické fáze. Přednostně pro vytváření vazebního povlaku používané materiály zahrnují slitiny typu MCrAl a typu MCrAlY, kde M představuje železo, kobalt a/nebo nikl.
A konečně, vzhledem k tomu, že se nanášení keramické povlakové vrstvy 18 uskutečňuje za použití plazmatického nastřikování, musí vazební povlak J_6 vykazovat dostatečně drsný povrch, což znamená, že za účelem zajištění vzájemného mechanického vazebního spojení keramické povlakové vrstvy J_8 s vazebním povlakem J6 musí být drsnost Ra tohoto povrchu, pokud možno, alespoň 350 milióntin palce (cca 9 pm). Předložený vynález zajišťuje vytvoření takového vazeb ního povlaku 16, který vykazuje přiměřeně dostačující hustotu a drsnost povrchu, prostřednictvím vytváření první vazební povlakové vrstvy 16a nanášené za použití metody vysokorychlostního nastřikování v proudu kyslíkového paliva (HVOF) a relativné jemného kovového prášku vykazujícího relativně omezenou zrnitost, neboli kovového prášku s rozložením velikosti částic v úzkém rozmezí, následované vytvářením druhé vazební povlakové vrstvy 16b nanášené za použití metody plazmatického nastřikování v okolní atmosféře (APS) a hrubšího kovového prášku s relativně širší zrnitostí, neboli kovového prášku s rozložením velikosti částic v Širším rozmezí. V souvislosti s tím je třeba poznamenat, že dřívější, ze stavu techniky známé a používané vazební povlaky vytvářené metodou HVOF jsou typicky buď pro odpovídajícím způsobem vyhovující io adhezní vazební spojení s dalším, plazmatickým nastřikováním nanášeným vazebním povlakem příliš hladké, nebo sice vykazují adekvátní drsnost povrchu, nicméně mají pří vysokých nákladech nižší hustotu povlaku a nedostatečnou integritu, naproti tomu co dřívější, ze stavu techniky známé vazební povlaky vytvářené metodou APS je sice možné nanášet tak, aby vykazovaly výslednou drsnost povrchu postačující pro uvedené účely, nicméně mají zase velkou pórovitost, i5 například pórovitost menší než 95 % teoretické hustoty, což je nežádoucí a nevyhovující. Vzájemnou kombinací vazebních povlakových vrstev 16a a 16b, nanášených a vytvářených za použití metod nastřikování a kovových prášků podle tohoto vynálezu, zajišťuje předložený vynález vytvoření hutného a celistvého více vrstvového vazebního povlaku j_6 vykazujícího požadovanou drsnost povrchu, například drsnost povrchu Ra alespoň 350 milióntin palce.
Jak již bylo naznačeno shora, metody nastřikování povlaků HVOF a APS podle tohoto vynálezu vyžadují použití dvou kovových prášků s rozdílnou zrnitostí, respektive s rozdílným rozložením velikosti částic. Přičemž je výhodné, jestliže jsou alespoň druhá vazební povlaková vrstva 16b, a pokud možno obě vazební povlakové vrstvy 16a a 16b, vytvořené z kovové kompozice zajišťující vytváření oxidického povlakového filmu, například takové jako je hliník s obsahem intermetalických fází, chróm s obsahem íntermetalických fází, slitiny typu MCrAl, slitiny typu MCrAlY, nebo jejich vzájemné kombinace. Obzvlášť vhodná a vyhovující kompozice pro vytváření obou vazebních povlakových vrstev 16a a 16b vykazuje jmenovité chemické složení obsahující, vyjádřeno v procentech hmotnostních, cca 22 % chrómu Cr, cca 10 % hliníku Al, cca l % yttria Y, zbytek nikl Ni a obvyklé související nečistoty. První vazební povlaková vrstva 16a vytvořená metodou HVOF poskytuje, jako výsledek použití jemného kovového prášku se zrnitostí s úzkým rozmezím rozdělení velikosti částic, velmi hutnou a celistvou ochrannou bariéru proti oxidaci, zatímco druhá vazební povlaková vrstva 16b vykazuje jak požadovanou mikro-drsnost povrchu, tak i požadovanou makro-drsnost povrchu, které jsou, v uvedeném pořadí, důsledkem obsahu jak jemnějších, tak i hrubších částic v kovovém prášku použitém ve spojení s nanášením metodou APS. Dosažená výsledná kombinace mikro-drsnosti a makro-drsnosti povrchu poskytuje ve svém důsledku zdokonalení schopnosti vytváření vzájemného mechanického vazebního spojení vazebního povlaku J_6 s následně nanášenou keramickou povlakovou vrstvou 18.
Kovový prášek používaný v kombinaci s metodou HVOF vykazuje, v souladu s tímto vynálezem, maximální velikost částic přibližně 55 pm. Přednostně pro tento účel používaná zrnitost zahrnuje, vyjádřeno v procentech hmotnostních, cca 19 % částic o velikosti 44 až 55 pm, cca 42 % částic o velikosti 31 až 44 pm, cca 31 % částic o velikosti 22 až 31 pm, a cca 5 % částic o velikosti 16 až 22 pm. Přednostně pro tuto metodu HVOF používané charakteristické parametry zahrnují inten45 žitu nastřikování povlaku pohybující se v rozmezí přibližně tři až osm liber (cca 1,4 až 3,6 kg) za hodinu, nástřikovou vzdálenost pohybující se v rozmezí přibližně pět až dvanáct palců (cca 0,3 až 0,30 metru), a maximální povrchovou teplotu přibližně 350 °F (cca 175 °C) v kombinaci s plynnou palivovou směsí tvořenou směsí kyslíku, vodíku a dusíku.
Kovový prášek používaný v kombinaci s metodu APS vykazuje, v souladu s tímto vynálezem, velikost částic pohybující se s výhodou v rozmezí přibližně 35 až 110 pm. Přednostně pro tento účel používaná zrnitost zahrnuje, vyjádřeno v procentech hmotnostních, cca 5 % částic o velikosti 70 až 90 pm, cca 25 % částic o velikosti 63 až 75 pm, cca 50 % částic o velikosti 53 až 63 pm, cca 15 % částic o velikosti 45 až 53 pm, a cca 5 % částic o velikosti 38 až 45 pm. Před55 nostně pro tuto metodu APS používané charakteristické parametry zahrnují intenzitu nastřikování povlaku pohybující se v rozmezí přibližně dvacet až šedesát gramů za minutu, nástřikovou vzdálenost pohybující se v rozmezí přibližně tři až šest palců (cca 0,08 až 0,15 metru), a proudové zatížení pohybující se v rozmezí přibližně 350 až 650 ampér v kombinaci s plynnou směsí tvořenou směsí vodíku a dusíku.
Odpovídající tloušťka první vazební povlakové vrstvy 16a vytvořené metodou HVOF se, v souladu s tímto vynálezem, pohybuje v rozmezí přibližně 100 až 300 mikrometrů. Metoda HVOF a v kombinaci s ní použitý kovový prášek, popsané podrobně shora, poskytují vytvoření první vazební povlakové vrstvy 16a, která vykazuje drsnost povrchu Ra v rozmezí přibližně 200 až 450 miliío ontin palce (cca 5 až 11 μπι) a hustotu alespoň přibližně 99 % teoretické hustoty. Ještě před tím, než dojde k vystavení uvedené první vazební povlakové vrstvy 16a působení vysokoteplotního oxidačního prostředí, se tato první vazební povlaková vrstva 16a podrobuje tepelnému zpracování za účelem zajištění vzájemného difuzního vazebního spojení částic kovového prášku a zhutnění první vazební povlakové vrstvy 16a. Toto tepelné zpracování kromě toho s výhodou zajiš15 ťuje difúzní vazební spojení první vazební povlakové vrstvy 16a se substrátem 12. Přednostně používanými charakteristickými parametry zmiňovaného tepelného zpracování jsou teplota pohybující se v rozmezí přibližně 950 až 1150 °C a doba trvání pohybující se v rozmezí přibližně jedna až šesti hodin ve vakuu nebo v inertní atmosféře. Kromě toho se první vazební povlaková vrstva 16a s výhodou podrobuje odmašťování za účelem odstranění veškerých nečistot, mazacích tuků, a dalších v úvahu přicházejících kontaminujících látek.
Na této první vazební povlakové vrstvě 16a vytvořené metodou HVOF se následně nanášením, za použití shora podrobně popsaných metody nastrikování APS a kovového prášku, vytváří druhá vazební povlaková vrstva 16b. Přednostně pro metodu APS používaný, shora podrobně popsaný kovový prášek obsahuje přiměřeně dostatečně přiměřené množství hrubších částic za účelem docílení odpovídající makro-drsnosti povrchu vazebního povlaku 16, a zároveň dostatečně přiměřené množství jemnějších částic za účelem docílení adekvátní mikro-drsnosti povrchu pro zajištění odpovídající adhezní přilnavosti pro keramickou povlakovou vrstvu 18, přičemž, kromě toho, uvedené jemnější Částice vyplňují intersticiální mezery mezi hrubšími částicemi, což ve svém důsledku vede ke zvýšení hustoty druhé vazební povlakové vrstvy 16b vytvořené metodou APS. Výsledný vazební povlak 16 vykazuje, v souladu s tímto vynálezem, drsnost povrchu Ra v rozmezí přibližně 350 až 750 milióntin palce (cca 9 až 19 μπι). Tato druhá vazební povlaková vrstva 16b se rovněž, ještě před tím než dojde k jejímu vystavení působení vysokoteplotního oxidačního prostředí, podrobuje adekvátnímu tepelnému zpracování za účelem zajištění vzájemného difuzního vazebního spojení druhé vazební povlakové vrstvy 16b, vytvořené metodou APS, s první vazební povlakovou vrstvou 16a, vytvořenou metodou HVOF. Přednostně používanými charakteristickými parametry tohoto tepelného zpracování jsou teplota pohybující se v rozmezí přibližně 950 až 1150 °C a doba trvání přibližně jedna až šest hodin ve vakuu nebo v inertní atmosféře, a jeho výsledkem je hustota vazebního povlaku alespoň přibližně 95 % teoretické hustoty (neboli pórovitost ne větší než 5 %). Odpovídající tloušťka druhé vazební povlakové vrstvy 16b vytvořené metodou APS se pohybuje v rozmezí přibližně 100 až 300 mikrometrů.
Během přezkoumávání výsledků dosažených podle tohoto vynálezu byly dvouvrstvové vazební povlaky vytvořené podle předloženého vynálezu komparativně srovnávány s dřívějšími, ze stavu techniky známými vazebními povlaky vytvořenými metodou VPS. Materiálem použitým pro vytvoření substrátu všech zkušebních vzorků byla vysoce legovaná slitina na bázi niklu se jmenovitým chemickým složením obsahujícím, vyjádřeno v procentech hmotnostních, 14 % chrómu Cr, 9,5 % kobaltu Co, 3 % hliníku Al, 4,9 % titanu Ti, 1,5 % molybdenu Mo, 3,8 % wolframu W, 2,8 % tantalu Ta, 0,010 % uhlíku C, zbytek nikl Ni a obvyklé související nečistoty. Materiálem použitým pro vytvoření vazebního povlaku u všech zkušebních vzorků byl shora popsaný materiál typu NiCrAlY se jmenovitým chemickým složením obsahujícím, vyjádřeno v procentech hmotnostních, cca 22% chrómu Cr, cca 10 % hliníku Al, cca 1 % yttria Y, zbytek nikl Ni a obvyklé související nečistoty. Pro vytváření vazebních povlakových vrstev podle tohoto vynálezu, nanášených za použití metod nastrikování HVOF a APS, byly použity kovové prášky vyka55 zující shora stanovené a upřednostňované zrnitosti, respektive rozložení velikosti částic, zatímco
Ί velikost částic kovového prášku použitého ve spojení s metodou nastři kování V PS se pohybovala v rozmezí přibližně 10 až 90 pm. Charakteristické parametry metody HVOF zahrnují průtokové množství plynného vodíku přibližně 45,3 m3/h (1600 normálních stop kubických za hodinu (scfh)), průtokové množství plynného kyslíku přibližně 12,74 m3/h (450 scfh), průtokové množ5 ství plynného dusíku přibližně 22,65 mVh (800 scfh), a průtokové množství nosného plynu (plynný dusík) přibližně 0,849 m3/h (30 scfh). Charakteristické parametry metody APS zahrnují průtokové množství plynného dusíku přibližně 3,54 mVh (125 scfh), průtokové množství plynného vodíku přibližně 0,25 ní/h (9 scfh), a průtokové množství nosného plynu (plynný dusík) přibližně 0,57 m3/h (20 scfh) - při použití dvou injektorů 0,28 m7h (10 scfh) na injektor. Vazební io povlakové vrstvy vytvořené metodami HVOF a APS vykazovaly tloušťky, jednotlivě v uvedeném pořadí, přibližně 200 pm a přibližně 100 pm, naproti tomu co vazební povlaky vytvořené metodou VPS vykazovaly tloušťky přibližně 300 pm. Všechny zkušební vzorky byly podrobeny tepelnému zpracování prováděnému při teplotě kolem 1080 °C po dobu trvání přibližně čtyři hodiny ve vakuu po každém kroku nanášení. Výsledné, tepelnému zpracování podrobené vazební povlaky vykazovaly charakteristickou drsnost povrchu Ra v rozmezí přibližně 11 až 19 pm (450 až 600 milióntin palce) a hustotu (povlaková vrstva vytvořená metodou APS) přibližně 98 % teoretické hustoty, naproti tomu co vazební povlaky vytvořené metodou VPS vykazovaly charakteristickou drsnost povrchu Ra v rozmezí přibližně 11 až 19 pm (450 až 600 milióntin palce) a hustotu přibližně 99 % teoretické hustoty.
Po nanesení keramické tepelně izolační povlakové vrstvy o tloušťce přibližně 375 pm na všechny zkušební vzorky, byly tyto zkušební vzorky podrobeny zkušebnímu testování v peci. Některé z těchto zkušebních vzorků byly podrobeny cyklickému teplotnímu testování, které sestávalo z jednotlivých cyklů o délce trvání 45 minut, a pri kterém byly uvedené zkušební vzorky podrobe25 ny působení teploty cca 1095 °C (2000 °F) po celkovou dobu 20 hodin. Prostřednictvím tohoto testování byla prokazována odolnost keramické povlakové vrstvy proti poškození vytvářením trhlin nebo odlupováním, která byla vyhodnocována na základě počtu tepelných cyklů, které tato vrstva vydrží bez uvedeného poškození. Druhé zkušební testování spočívalo v podrobení zkušebních vzorků působení teploty cca 1095 °C (2000 °F) po dobu 1000 hodin a na jeho základě byla, prostřednictvím následné chemické analýzy, určováno odčerpávání hliníku ze substrátu. Výsledky zjištěné během zkušebního testování v peci jsou shrnuty v následující tabulce.
Cykly po 1000 hodinách
Zkušební vzorky Poškození vzorku @ 1095°C (2000°F)
Vazební povlak (HVOF/APS) 65 6%
Vazební povlak (VPS) 58 0
Shora uvedené údaje, ve srovnání s dřívějšími, ze stavu techniky známými vazebními povlaky vytvořenými metodou VPS, prokazují z hlediska jejich odolnosti proti poškození vytvářením trhlin nebo okupováním nadřazenost vazebních povlaků vytvořených metodami HVOF/APS. Následná chemická analýza ukazuje v případě substrátů z vysoce legované slitiny opatřených vazebními povlaky vytvořených metodami HVOF/APS jisté odčerpání hliníku v těsné blízkosti fázo40 vého rozhraní vazební povlak/substrát. Přestože substráty z vysoce legovaných slitin opatřené ochrannými vazebními povlaky vytvořených metodou VPS nevykazovaly žádné odčerpání hliníku, vykazovaly pri vzájemné porovnání se shora zmiňovanými vazebními povlaky kratší tepelný cyklus únavové životnosti a tedy kratší provozní životnost.
Ačkoli byl předložený vynález shora popsán na základě jeho přednostního provedení, jsou osoby obeznámené se stavem techniky schopné vytvořit jeho úpravy a ekvivalenty, například nahrazením shora konkrétně uvedených materiálů použitých pro vytvoření substrátu, vazebních povlakových vrstev a tepelně izolační povlakové vrstvy povlakového systému tepelné ochranné bariéry jinými, pro uvedené účely použitelnými materiály, nebo vytvářením vazebního povlaku tak, že obsahuje vazební povlakové vrstvy, a to jak povlakové vrstvy vytvořené metodou HVOF, tak i povlakové vrstvy vytvořené metodou APS, případně oba typy těchto povlakových vrstev, vytvořené jako vícenásobné. Nárokovaný rozsah předloženého vynálezu je tudíž omezený pouze roz5 sáhem připojených patentových nároků.

Claims (10)

  1. PATENTOVÉ NÁROKY
    1. Způsob nanášení dvouvrstvového vazebního povlaku (16) povlakového systému (14) tepelné ochranné bariéry, vyznačující se tím, že obsahuje kroky:
    15 připravení substrátu (12) z vysoce legované slitiny;
    nanášení první vazební povlakové vrstvy (16a) na substrát (12) za použití metody vysokorychlostního nastřikování v proudu kyslíkového paliva (HVOF) a prvního kovového prášku vykazujícího maximální velikost částic 55 mikrometrů, přičemž tato první vazební povlaková vrstva (16a) vykazuje drsnost povrchu Ra v rozmezí 5 až 10 pm (200 až 400 milióntin palce);
    20 tepelné zpracovávání první vazební povlakové vrstvy (16a) ve vakuu nebo v inertní atmosféře pro zhutnění této první vazební povlakové vrstvy (16a) a pro zajištění vzájemného difúzního vazebního spojení částic prvního kovového prášku, které se provádí ještě před vystavením této první vazební povlakové vrstvy (16a) působení vysokoteplotního oxidačního prostředí;
    nanášení druhé vazební povlakové vrstvy (16b) na první vazební povlakovou vrstvu (16a) za
    25 použití metody plazmatického nastřikování v okolní atmosféře (APS) a druhého kovového prášku vykazujícího velikost částic pohybující se v rozmezí 35 až 110 mikrometrů, přičemž tato druhá vazební povlaková vrstva (16b) vykazuje pórovitost menší než 5 % a drsnost povrchu Ra v rozmezí 11 až 19 pm (450 až 750 milióntin palce) jako důsledek přítomnosti větších částic ve druhém kovovém prášku; a
    30 tepelné zpracovávání první vazební povlakové vrstvy (16a) a druhé vazební povlakové vrstvy (16b) ve vakuu nebo v inertní atmosféře pro zajištění vzájemného difúzního vazebního spojení druhé vazební povlakové vrstvy (16b) s první vazební povlakovou vrstvou (16a), které se provádí ještě před vystavením těchto vazebních povlakových vrstev (16a, 16b) působení vysokoteplotního oxidačního prostředí.
  2. 2. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že uvedené, první i druhý, kovové prášky tvoří kovové kompozice zajišťující vytváření oxidického povlakového filmu, zvolené ze skupiny zahrnující hliník s obsahem intermetalických fází, chróm s obsahem intermetalických fází, slitiny typu MCrAl, kde M představuje železo, nikl a/nebo kobalt, slitiny typu MCrAlY, kde
    40 M představuje železo, nikl a/nebo kobalt, ajejich vzájemné kombinace.
  3. 3. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že první kovový prášek vykazuje zrnitost, vyjádřeno v procentech hmotnostních, 19 % částic o velikosti 44 až 55 pm, 42 % částic o velikostí 31 až 44 pm, 31 % částic o velikosti 22 až 31 pm, a 5 % částic o velikosti 16 až
    45 22 pm; a že druhý kovový prášek vykazuje zrnitost, vyjádřeno v procentech hmotnostních, 5 % částic o velikosti 70 až 90 pm, 25 % částic o velikosti 63 až 75 pm, 50 % částic o velikosti 53 až 63 pm, 15 % částic o velikosti 45 až 53 pm, a 5 % částic o velikosti 38 až 45 pm.
  4. 4. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že dále obsahuje krok odmašťování
    50 první vazební povlakové vrstvy (16a), prováděný před nanášením druhé vazební povlakové vrstvy (16b).
    Λ
    C7. 300909 B6
  5. 5. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že dále obsahuje krok nanášení tepelně izolační povlakové vrstvy (18) na druhou vazební povlakovou vrstvu (16b).
  6. 6. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že substrát (12) je vytvořený z
    5 vysoce legované slitiny na bázi niklu.
  7. 7. Způsob nanášení povlakového systému (14) tepelné ochranné bariéry, vyznačující se tím, že obsahuje kroky:
    připravení substrátu (12) z vysoce legované slitiny na bázi niklu; ío nanášení první vazební povlakové vrstvy (16a) na substrát (12) za použití metody vysokorychlostního nastřikován í v proudu kyslíkového paliva (HVOF) a prvního kovového prášku vykazujícího velikost částic pohybující se v rozmezí 20 až 55 mikrometrů, přičemž tato první vazební povlaková vrstva (16a) vykazuje drsnost povrchu Ra v rozmezí 5 až 10 pm (200 až 400 milióntin palce);
    15 tepelné zpracovávání první vazební povlakové vrstvy (16a) ve vakuu nebo v inertní atmosféře pro zhutnění této první vazební povlakové vrstvy (16a), pro zajištění vzájemného difúzního vazebního spojení částic prvního kovového prášku, a pro zajištění vzájemného difúzního vazebního spojení této první vazební povlakové vrstvy (16a) se substrátem (12), které se provádí ještě před vystavením této první vazební povlakové vrstvy (16a) působení vysokoteplotního oxidač20 ního prostředí;
    nanášení druhé vazební povlakové vrstvy (16b) na první vazební povlakovou vrstvu (16a) za použití metody plazmatického nastřikování v okolní atmosféře (APS) a druhého kovového prášku vykazujícího velikost částic pohybující se v rozmezí 35 až 110 mikrometrů, přičemž tato druhá vazební povlaková vrstva (16b) vykazuje pórovitost menší než 5 % a drsnost povrchu Ra v roz25 mezí 11 až 19 pm (450 až 750 milióntin palce) jako důsledek přítomnosti větších částic ve druhém kovovém prášku; a tepelné zpracovávání první vazební povlakové vrstvy (16a) a druhé vazební povlakové vrstvy (16b) ve vakuu nebo v inertní atmosféře pro zajištění vzájemného difúzního vazebního spojení druhé vazební povlakové vrstvy (16b) s první vazební povlakovou vrstvou (16a), které se provádí
    30 ještě před vystavením těchto vazebních povlakových vrstev (16a, 16b) působení vysokoteplotního oxidačního prostředí; a nanášení tepelně izolační povlakové vrstvy (18) na druhou vazební povlakovou vrstvu (16b) za použití metody plazmatického nastřikování v okolní atmosféře (APS).
    35
  8. 8. Způsob podle nároku 7, vyznačující se tím, že každý z uvedených, prvního a druhého, kovových prášků vykazuje jmenovité chemické složení, vyjádřeno v procentech hmotnostních, 22 % chrómu Cr, 10 % hliníku Al, 1 % yttria Y, zbytek nikl Ni a obvyklé související nečistoty.
    40
  9. 9. Způsob podle nároku 7, vyznačující se tím, že substrát (12) je vytvořený z vysoce legované slitiny na bázi niklu, vykazující jmenovité chemické složení, vyjádřeno v procentech hmotnostních, 14 % chrómu Cr, 9,5 % kobaltu Co, 3 % hliníku Al, 4,9 % titanu Ti, 1,5 % molybdenu Mo, 3,8 % wolframu W, 2,8 % tantalu Ta, 0,010 % uhlíku C, zbytek nikl Ni a o bvy k lé so u v i sej íc í n eč i stoty.
  10. 10. Způsob podle nároku 7, vyznačující se tím, že první kovový prášek vykazuje zrnitost, vyjádřeno v procentech hmotnostních, 19 % částic o velikosti 44 až 55 pm, 42 % částic o velikosti 31 až44pm, 31 % částic o velikosti 22 až 31 pm, a 5 % částic o velikosti 16 až 22 pm a druhý kovový prášek vykazuje zrnitost, vyjádřeno v procentech hmotnostních, 5 %
    50 částic o velikosti 70 až 90 pm, 25 % částic o velikosti 63 až 75 pm, 50 % Částic o velikosti 53 až 63 pm, 15 % částic o velikosti 45 až 53 pm, a 5 % částic o velikosti 38 až 45 pm, přičemž první vazební povlaková vrstva se tepelně zpracovává při teplotách pohybujících se v rozmezí 950 až 1150 °C po dobu trvání jedna až Šest hodin pro snížení pórovitosti první vazební povlaCZ 300909 B6 kové vrstvy (16a) na méně než 1 %, pro zajištění vzájemného difúzního vazební spojování částic prvního kovového prášku, a pro zajištění vzájemného difúzního vazební spojování prvního kovového prášku se substrátem (12) a první vazební povlaková vrstva a druhá vazební povlaková vrstva se tepelně zpracovávají při teplotách pohybujících se v rozmezí 950 až 1150 °C po dobu
    5 trvání jedna až šest hodin pro vzájemné difúzního vazební spojování druhé vazební povlakové vrstvy (16b) k první vazební povlakové vrstvě (16ab), přičemž způsob dále zahrnuje odmašťování první vazební povlakové vrstvy (16a).
CZ20004537A 1998-02-28 1999-02-26 Vícevrstvový vazební povlak pro povlakový systém tepelné ochranné bariéry a zpusob jeho vytvorení CZ300909B6 (cs)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US7639198P 1998-02-28 1998-02-28
US25964999A 1999-02-26 1999-02-26

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CZ20004537A3 CZ20004537A3 (cs) 2002-01-16
CZ300909B6 true CZ300909B6 (cs) 2009-09-09

Family

ID=26758051

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CZ20004537A CZ300909B6 (cs) 1998-02-28 1999-02-26 Vícevrstvový vazební povlak pro povlakový systém tepelné ochranné bariéry a zpusob jeho vytvorení

Country Status (4)

Country Link
EP (1) EP1076727B1 (cs)
CZ (1) CZ300909B6 (cs)
DE (1) DE69925590T2 (cs)
WO (1) WO1999043861A1 (cs)

Families Citing this family (34)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6368672B1 (en) * 1999-09-28 2002-04-09 General Electric Company Method for forming a thermal barrier coating system of a turbine engine component
WO2001094664A2 (en) * 2000-06-08 2001-12-13 Surface Engineered Products Corporation Coating system for high temperature stainless steel
EP1260608A1 (en) * 2001-05-25 2002-11-27 ALSTOM (Switzerland) Ltd Method of depositing a MCrAIY bond coating
EP1327702A1 (en) 2002-01-10 2003-07-16 ALSTOM (Switzerland) Ltd Mcraiy bond coating and method of depositing said mcraiy bond coating
KR100820987B1 (ko) * 2002-02-28 2008-04-10 맨 디젤 에이/에스 내마모성 코팅 재료를 기계 부품에 피복하는 방법 및 그에의해 형성되는 기계 부품
CN100360701C (zh) 2002-02-28 2008-01-09 肯桑特拉控股股份公司 活塞环的热喷涂
CN100368588C (zh) 2002-08-02 2008-02-13 三菱重工业株式会社 热障涂层形成方法、掩蔽销以及燃烧室过渡连接件
DE10332938B4 (de) * 2003-07-19 2016-12-29 General Electric Technology Gmbh Thermisch belastetes Bauteil einer Gasturbine
ITRM20030602A1 (it) * 2003-12-24 2005-06-25 Ct Sviluppo Materiali Spa Procedimento di produzione di rivestimento multistrato
JP4607530B2 (ja) 2004-09-28 2011-01-05 株式会社日立製作所 遮熱被覆を有する耐熱部材およびガスタービン
DE102005053531A1 (de) * 2005-11-08 2007-05-10 Man Turbo Ag Wärmedämmende Schutzschicht für ein Bauteil innerhalb des Heißgasbereiches einer Gasturbine
EP1845171B1 (de) 2006-04-10 2016-12-14 Siemens Aktiengesellschaft Verwendung metallischer Pulver mit unterschiedlichen Korngrössen zum Herstellen eines Schichtsystems
DE102006040360A1 (de) * 2006-08-29 2008-03-06 FNE Forschungsinstitut für Nichteisen-Metalle Freiberg GmbH Wärmedämmstoff mit hoher zyklischer Temperaturbelastbarkeit
CN101139470B (zh) * 2006-09-07 2012-04-18 梯西艾燃气轮机材料技术（上海）有限公司 一种燃气轮机热通道部件高温合金涂料
US8053089B2 (en) 2009-09-30 2011-11-08 General Electric Company Single layer bond coat and method of application
DE102010017859B4 (de) * 2010-04-22 2012-05-31 Mtu Aero Engines Gmbh Verfahren zum Bearbeiten einer Oberfläche eines Bauteils
US9428650B2 (en) 2012-12-11 2016-08-30 General Electric Company Environmental barrier coatings and methods therefor
EP2743369A1 (en) 2012-12-11 2014-06-18 Siemens Aktiengesellschaft Coating system, method of coating a substrate, and gas turbine component
ITPR20130041A1 (it) * 2013-05-10 2014-11-11 Turbocoating S P A Processo per prolungare la durata di rivestimenti mcraly di parti metalliche di turbine a gas
US9561986B2 (en) 2013-10-31 2017-02-07 General Electric Company Silica-forming articles having engineered surfaces to enhance resistance to creep sliding under high-temperature loading
US8939706B1 (en) 2014-02-25 2015-01-27 Siemens Energy, Inc. Turbine abradable layer with progressive wear zone having a frangible or pixelated nib surface
US9243511B2 (en) 2014-02-25 2016-01-26 Siemens Aktiengesellschaft Turbine abradable layer with zig zag groove pattern
US9151175B2 (en) 2014-02-25 2015-10-06 Siemens Aktiengesellschaft Turbine abradable layer with progressive wear zone multi level ridge arrays
RU2662003C2 (ru) 2014-02-25 2018-07-23 Сименс Акциенгезелльшафт Компонент газовой турбины, газотурбинный двигатель, способ изготовления компонента газотурбинного двигателя
WO2016133583A1 (en) 2015-02-18 2016-08-25 Siemens Aktiengesellschaft Turbine shroud with abradable layer having ridges with holes
US10408079B2 (en) 2015-02-18 2019-09-10 Siemens Aktiengesellschaft Forming cooling passages in thermal barrier coated, combustion turbine superalloy components
US20170122561A1 (en) * 2015-10-28 2017-05-04 General Electric Company Methods of repairing a thermal barrier coating of a gas turbine component and the resulting components
US20170122560A1 (en) * 2015-10-28 2017-05-04 General Electric Company Gas turbine component with improved thermal barrier coating system
DE102016002630A1 (de) 2016-03-07 2017-09-07 Forschungszentrum Jülich GmbH Haftvermittlerschicht zur Anbindung einer Hochtemperaturschutzschicht auf einem Substrat, sowie Verfahren zur Herstellung derselben
CN107740024B (zh) * 2017-09-28 2020-01-07 中国航发动力股份有限公司 高温可磨耗涂层及其制备工艺
EP3461925A1 (en) * 2017-09-29 2019-04-03 General Electric Technology GmbH Method for manufacturing a coating
CN110835755A (zh) * 2019-11-12 2020-02-25 中北大学 一种核用锆合金涂层的制备方法
US11142818B1 (en) * 2020-09-14 2021-10-12 Honeywell International Inc. Grit-blasted and densified bond coat for thermal barrier coating and method of manufacturing the same
CN114182191B (zh) * 2021-12-09 2023-12-08 上海电气燃气轮机有限公司 一种热障涂层及其制备方法

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4095003A (en) * 1976-09-09 1978-06-13 Union Carbide Corporation Duplex coating for thermal and corrosion protection
US5579534A (en) * 1994-05-23 1996-11-26 Kabushiki Kaisha Toshiba Heat-resistant member
EP0814178A1 (en) * 1996-06-19 1997-12-29 ROLLS-ROYCE plc A thermal barrier coating for a superalloy article and a method of application thereof

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5236745A (en) * 1991-09-13 1993-08-17 General Electric Company Method for increasing the cyclic spallation life of a thermal barrier coating
JPH05263212A (ja) * 1992-03-16 1993-10-12 Toshiba Corp 耐熱被覆

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4095003A (en) * 1976-09-09 1978-06-13 Union Carbide Corporation Duplex coating for thermal and corrosion protection
US5579534A (en) * 1994-05-23 1996-11-26 Kabushiki Kaisha Toshiba Heat-resistant member
EP0814178A1 (en) * 1996-06-19 1997-12-29 ROLLS-ROYCE plc A thermal barrier coating for a superalloy article and a method of application thereof

Also Published As

Publication number Publication date
WO1999043861A1 (en) 1999-09-02
EP1076727B1 (en) 2005-06-01
EP1076727A1 (en) 2001-02-21
DE69925590T2 (de) 2006-04-27
CZ20004537A3 (cs) 2002-01-16
DE69925590D1 (de) 2005-07-07

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CZ300909B6 (cs) Vícevrstvový vazební povlak pro povlakový systém tepelné ochranné bariéry a zpusob jeho vytvorení
US6096381A (en) Process for densifying and promoting inter-particle bonding of a bond coat for a thermal barrier coating
EP0909831B1 (en) Process for depositing a bond coat for a thermal barrier coating system
US5866271A (en) Method for bonding thermal barrier coatings to superalloy substrates
US7150921B2 (en) Bi-layer HVOF coating with controlled porosity for use in thermal barrier coatings
US6607789B1 (en) Plasma sprayed thermal bond coat system
US6255001B1 (en) Bond coat for a thermal barrier coating system and method therefor
US6306515B1 (en) Thermal barrier and overlay coating systems comprising composite metal/metal oxide bond coating layers
EP1088909B1 (en) Thermal barrier coating system of a turbine component
EP1652959B1 (en) Method for depositing gamma-prime nickel aluminide coatings
US5817371A (en) Thermal barrier coating system having an air plasma sprayed bond coat incorporating a metal diffusion, and method therefor
US20040079648A1 (en) Method of depositing an oxidation and fatigue resistant MCrAIY-coating
US20040115410A1 (en) Thermal barrier coating protected by tantalum oxide and method for preparing same
US6929868B2 (en) SRZ-susceptible superalloy article having a protective layer thereon
US6168875B1 (en) Coatings for turbine components
US6485792B1 (en) Endurance of NiA1 coatings by controlling thermal spray processing variables
EP1832669A1 (en) Bond coat process for thermal barrier coating.
JP3802132B2 (ja) 耐熱部材および耐熱部材の製造方法

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A Patent lapsed due to non-payment of fee

Effective date: 20110226