DE112008003402T5

DE112008003402T5 - Verfahren zum Herstellen bandgegossener Sperrüberzüge, solche umfassende Komponenten und danach hergestellte Bänder

Info

Publication number: DE112008003402T5
Application number: DE112008003402T
Authority: DE
Inventors: Brett Allen West Chester Boutwell; Glen Harold Liberty Township Kirby; Jessica Lee Mason Licardi; Jeffrey Allan Deephaven Pfaendtner; James Dale Mason Steibel
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2007-12-20
Filing date: 2008-10-30
Publication date: 2011-01-13
Also published as: GB2467278A; CA2708884A1; GB201009424D0; WO2009082544A1; US20090162556A1; JP2011507790A

Abstract

Verfahren zum Herstellen eines bandgegossenen Sperrüberzuges, umfassend:
Herstellen einer Aufschlämmung, die wenigstens ein Lösungsmittel und eine Sperrüberzugs-Zusammensetzung umfasst;
Aufbringen der Aufschlämmung auf einen Trägerfilm in einer Bandgießvorrichtung, um eine gegossene Aufschlämmung zu schaffen;
Verdampfen des Lösungsmittels aus der gegossenen Aufschlämmung, um ein Band zu schaffen, das aufweist:
den Trägerfilm und
die Sperrüberzugs-Zusammensetzung; und
Entfernen des Trägerfilms von dem Band, um einen bandgegossenen Sperrüberzug zu schaffen.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Hierin beschriebene Ausführungsformen beziehen sich allgemein auf Verfahren zum Herstellen bandgegossener Sperrüberzüge, diese umfassende Komponenten und danach hergestellte Bänder. Mehr im Besonderen beschreiben Ausführungsformen hierin allgemein Verfahren zum Herstellen bandgegossener Umwelt- und Wärmesperrüberzüge, solche Sperrüberzüge umfassende Gasturbinentriebwerks-Komponenten und gemäß solchen Verfahren hergestellte Bänder.
HINTERGRUND ZU DER ERFINDUNG
Es werden laufend höhere Betriebstemperaturen für Gasturbinentriebwerke angestrebt, um ihre Effizienz zu verbessern. Mit zunehmenden Betriebstemperaturen muss jedoch die Hochtemperaturbeständigkeit der Komponenten des Triebwerkes entsprechend zunehmen. Signifikante Fortschritte in Hochtemperaturfähigkeiten wurden durch die Formulierung von Superlegierungen auf Eisen-, Nickel- und Kobaltgrundlage erzielt. Während Superlegierungen weite Anwendung für Komponenten gefunden haben, die in Gasturbinentriebwerken und insbesondere in den Abschnitten höherer Temperatur eingesetzt werden, wurden alternative Substratmaterialien geringeren Gewichtes vorgeschlagen.
Keramikmatrix-Verbundmaterialien (CMCs) sind eine Klasse von Materialien, die aus einem verstärkenden Material bestehen, das von einer Keramikmatrixphase umgeben ist. Solche Materialien, zusammen mit gewissen monolithischen Keramiken (d. h., Keramikmaterialien ohne ein verstärkendes Material), werden derzeit für Anwendungen bei höherer Temperatur eingesetzt. Einige Beispiele üblicher CMC-Matrixmaterialien können Siliciumcarbid, Siliciumnitrid, Aluminiumoxid, Siliciumdioxid, Mullit, Aluminiumoxid-Siliciumoxid, Aluminiumoxid-Mullit und Aluminiumoxid-Siliciumdioxid-Boroxid einschließen. Einige Beispiele üblicher verstärkender CMC-Materialien können Siliciumcarbid, Siliciumnitrid, Aluminiumoxid, Siliciumdioxid, Mullit, Aluminiumoxid-Siliciumdioxid, Aluminiumoxid-Mullit und Aluminiumoxid-Siliciumdioxid-Boroxid einschließen, sind jedoch darauf nicht beschränkt. Einige Beispiele monolithischer Keramiken können Siliciumcarbid, Siliciumnitrid, Siliciumaluminiumoxynitrid (SiAlON) und Aluminiumoxid einschließen. Der Einsatz dieser Keramikmaterialien kann das Gewicht vermindern, die Festigkeit und Haltbarkeit von Turbinenkomponenten jedoch aufrechterhalten. Solche Materialien werden daher derzeit für viele Gasturbinen-Komponenten in Betracht gezogen, die in Abschnitten von Gasturbinentriebwerken mit höherer Temperatur eingesetzt werden, wie für Schaufelblätter (z. B. Kompressoren, Turbinen und Leitschaufeln), Brennkammern, Ummantelungen und andere ähnliche Komponenten, die von dem geringeren Gewicht profitieren würden, das diese Materialien bieten können.
CMC und monolithische Keramikkomponenten können mit Umwelt-Sperrüberzügen (EBCs) und/oder Wärmesperrüberzügen (TBCs) überzogen werden, um sie vor der harschen Umgebung der Triebwerksabschnitte hoher Temperatur zu schützen. EBCs können eine dichte hermetische Abdichtung gegen die korrosiven Gase in der heißen Verbrennungsumgebung bieten, während TBCs einen thermischen Gradienten zwischen der Überzugsoberfläche und der Rückseite der Komponente einrichten können, die aktiv gekühlt wird. Auf diese Weise kann die Oberflächentemperatur der Komponente unter die Oberflächentemperatur des TBC vermindert werden. In einigen Fällen kann ein TBC auch auf einem EBC abgeschieden werden, um die Oberflächentemperatur des EBC auf Temperaturen unter der Oberflächentemperatur des TBC zu vermindern. Dieser Ansatz vermindert die Betriebstemperatur, bei der der EBC funktionieren muss, und kann, als ein Resultat, die Betriebslebensdauer des EBC verlängern.
Derzeit bestehen die meisten EBCs aus einem Dreischichten-Überzugssystem, das eine Silicium-Bindeüberzugsschicht, mindestens eine Übergangsschicht, umfassend Mullit, Bariumstrontiumaluminosilicat (BSAS), ein Seltenerddisilicat oder eine Kombination davon, und eine äußere Schicht, umfassend BSAS, ein Seltenerdmonosilicat oder eine Kombination davon, enthält. Die Seltenerdelemente in den Mono- und Disilicat-Überzugsschichten können Yttrium, Lutetium, Ytterbium oder eine Kombination davon umfassen. Zusammen können diese Schichten Umweltschutz für die Komponente liefern.
TBCs bestehen allgemein aus hochschmelzenden Oxidmaterialien, die mit speziellen Mikrostrukturen abgeschieden sind, um thermische oder mechanische Spannungen aufgrund einer Fehlanpassung der thermischen Ausdehnung oder des Kontaktes mit anderen Komponenten in der Triebwerksumgebung zu mildern. Diese Mikrostrukturen können dichte Überzugsschichten mit vertikalen Rissen oder Körnern, poröse Mikrostrukturen und Kombinationen davon einschließen. Das hochschmelzende Oxidmaterial umfasst typischerweise Yttriumoxid-dotiertes Zirkoniumdioxid, Yttriumoxid-dotiertes Hafniumdioxid, kann jedoch auch Zirkoniumdioxid oder Hafniumdioxid enthalten, das mit Calciumoxid, Bariumoxid, Magnesiumoxid, Strontiumoxid, Ceroxid, Ytterbiumoxid, Lutetiumoxid, Gadoliniumoxid, Neodymoxid oder irgendeiner Kombination davon dotiert ist. Andere Beispiele akzeptabler hochschmelzender Oxide zum Einsatz als ein TBC können Yttriumdisilicat, Ytterbiumdisilicat, Lutetiumdisilicat, Yttriummonosilicat, Ytterbiummonosilicat, Lutetiummonosilicat, Zirkon, Hafnon, BSAS, Mullit, Magnesiumaluminatspinel und Seltenerdaluminate einschließen, sind darauf jedoch nicht beschränkt.
Ungeachtet der Zusammensetzung oder des Substrates werden die meisten EBCs und/oder TBCs im Allgemeinen unter Benutzung eines konventionellen Luftplasmaspritzens (APS), Eintauchens in Aufschlämmung, chemischer Dampfabscheidung (CVD) oder physikalischer Dampfabscheidung mittels Elektronenstrahl (EBPVD) aufgebracht. Unglücklicherweise ist keines dieser Verfahren unumstritten. So ist, z. B., Luftplasmaspritzen allgemein auf Anwendungen in Sichtlinie begrenzt. Da die meisten Hochtemperatur-Gasturbinentriebwerks-Komponenten sowohl von einer äußeren als auch von einer inneren Beschichtung mit einem Sperrüberzug profitieren würden, kann APS für solche Anwendungen nicht das Verfahren der Wahl sein. Außerdem kann zwar das Eintauchen in Aufschlämmung einige Kostenersparnisse bringen und zusätzliche Bereiche der Komponente (z. B. innere Durchgänge) bedecken, verglichen mit APS ist es aber für dünne Überzüge bestimmt. Da einige Hochtemperatur-Gasturbinentriebwerks-Komponenten einen Nutzen von dickeren Überzügen haben würden, mag das Eintauchen in Aufschlämmung nicht für alle Anwendungen geeignet sein. EBPVD und CVD sind tendenziell teuerer als APS und Eintauchen in Aufschlämmung, und sie sind wegen geringer Abscheidungsraten allgemein nur für dünne Überzugs-Anwendungen brauchbar.
Weiter kann das Reparieren aufgebrachter EBCs und TBCs unter Anwendung traditioneller Verfahren komplex und teuer sein und typischerweise erfordern, dass der gesamte Überzug entfernt und ersetzt wird.
Es bleibt daher ein Bedarf an Verfahren zum Herstellen von Sperrüberzügen, die mehr als Anwendungen in Sichtlinie gestatten, die gemäß Komponenten-Bedürfnissen variierende Dicken aufweisen können und die einfacher repariert werden können, als gegenwärtige Sperrüberzüge.
KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Ausführungsformen hierin beziehen sich allgemein auf Verfahren zum Herstellen eines bandgegossenen Sperrüberzuges, umfassend Herstellen einer Aufschlämmung, umfassend mindestens ein Lösungsmittel und eine Sperrüberzugs-Zusammensetzung, Aufbringen der Aufschlämmung auf einen Trägerfilm in einer Bandgießvorrichtung, um eine gegossen Aufschlämmung herzustellen, Verdampfen des Lösungsmittels aus der gegossen Aufschlämmung zum Erzeugen eines Bandes, das den Trägerfilm und die Sperrüberzugs-Zusammensetzung umfasst, und Entfernen des Trägerfilms von dem Band zum Herstellen eines bandgegossenen Sperrüberzuges.
Ausführungsformen hierin beziehen sich allgemein auch auf Verfahren zum Herstellen einer Komponente, die einen Sperrüberzug aufweist, umfassend Bereitstellen einer Komponente, Formen mindestens einer Schicht eines Bandes, umfassend einen Trägerfilm und mindestens eine Sperrüberzugs-Zusammensetzung, Aufbringen der mindestens einen Schicht aus geformtem Band auf die Komponente, Entfernen des Trägerfilms von dem Band zum Erzeugen eines bandgegossenen Sperrüberzuges und Sintern der Komponente, die den bandgegossenen Sperrüberzug aufweist, um eine Komponente herzustellen, die einen Sperrüberzug hat.
Ausführungsformen hierin beziehen sich allgemein auch auf Verfahren zum Herstellen einer Komponente, die einen Sperrüberzug aufweist, umfassend Bereitstellen einer Komponente, Formen mehrerer Schichten eines Bandes, umfassend einen Trägerfilm und mindestens eine Sperrüberzugs-Zusammensetzung, Aufbringen eines ersten geformten Bandes auf die Komponente, Entfernen des Trägerfilms von dem ersten Band zum Herstellen einer ersten bandgegossenen Sperrüberzugsschicht, Aufbringen mindestens eines zweiten geformten Bandes auf die erste bandgegossene Sperrüberzugsschicht und Sintern der Komponente, die mehrere bandgegossene Sperrüberzugsschichten aufweist, um eine Komponente mit einem Sperrüberzug herzustellen.
Ausführungsformen hierin beziehen sich allgemein auch auf bandgegossene Sperrüberzüge, hergestellt nach einem Verfahren, umfassend das Herstellen einer Aufschlämmung, umfassend mindestens ein Lösungsmittel und eine Sperrüberzugs-Zusammensetzung, Aufbringen der Aufschlämmung auf einen Trägerfilm in einer Bandgießvorrichtung zum Herstellen einer gegossenen Aufschlämmung, Verdampfen des Lösungsmittels aus der gegossenen Aufschlämmung zum Herstellen eines Bandes, das den Trägerfilm und die mindestens einer Sperrüberzugs-Zusammensetzung umfasst, und Entfernen des Trägerfilms zum Herstellen eines bandgegossenen Sperrüberzuges.
Diese und andere Merkmale, Aspekte und Vorteile werden für den Fachmann aus der folgenden Offenbarung deutlich.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
Während die Beschreibung mit Ansprüchen endet, die die Erfindung speziell angeben und bestimmt beanspruchen, wird angenommen, dass die hierin beschriebenen Ausführungsformen aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit der beigefügten Zeichnung besser verstanden werden, in denen gleiche Bezugsziffern gleiche Elemente bezeichnen.
1 ist ein schematischer Querschnitt einer Ausführungsform eines Bandes gemäß der hierin vorliegenden Beschreibung;
2 ist ein schematischer Querschnitt einer Ausführungsform einer Komponente, die mehrere Schichten des Sperrüberzugsbandes aufweist, die gemäß der Beschreibung hierin aufgebracht worden sind, und
3 ist eine schematische perspektivische Ansicht von unten auf eine Ausführungsform eines Gasturbinenschaufelblattes, das einen Sperrüberzug gemäß der hierin vorliegenden Beschreibung aufweist.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Hierin beschriebene Ausführungsformen beziehen sich allgemein auf Verfahren zum Herstellen bandgegossener Sperrüberzüge, solche umfassende Komponenten und gemäß solchen Verfahren hergestellte Bänder. Insbesondere beschreiben Ausführungsformen hierin allgemein Verfahren zum Herstellen bandgegossener Umwelt- und Wärmesperrüberzüge, Gasturbinentriebwerks-Komponenten, die solche Sperrüberzüge umfassen, und nach solchen Verfahren hergestellte Bänder.
Die hierin beschriebenen bandgegossenen Sperrüberzüge (oder „Sperrüberzugsbänder”) können geeignet sein zum Einsatz in Verbindung mit Komponenten, die CMCs, monolithische Keramiken und Superlegierungen umfassen. „CMCs”, wie hierin verwendet, beziehen sich sowohl auf siliciumhaltige Matrix- und verstärkende Materialien als auch auf Oxid-Oxid-Matrix- und verstärkende Materialien. Einige Beispiele von CMCs, die zum Einsatz hierin akzeptabel sind, können Materialien mit einer Matrix und verstärkenden Fasern enthalten, die Siliciumcarbid, Siliciumnitrid, Aluminiumoxid, Siliciumdioxid, Mullit, Aluminiumoxid-Mullit, Aluminiumoxid-Siliciumdioxid, Aluminiumoxid-Siliciumdioxid-Boroxid und Kombinationen davon umfassen, sollten jedoch darauf nicht beschränkt werden. „Monolithische Keramiken”, wie hierin verwendet, beziehen sich auf Materialien, die Siliciumcarbid, Siliciumnitrid und Siliciumaluminiumoxynitrid (SiAlON) und Aluminiumoxid umfassen. CMCs und monolithische Keramiken sind hierin gemeinsam als „Keramiken” bezeichnet. Einige Beispiele von Superlegierungen können Superlegierungen auf Eisen-, Nickel- und Kobalt-Grundlage einschließen, sind darauf jedoch nicht beschränkt. Der Begriff „Sperrüberzug(züge)”, wie er hierin benutzt wird, kann sich sowohl auf Umwelt-Sperrüberzüge (EBCs) als auch auf Wärmesperrüberzüge (TBCs) beziehen und kann mindestens eine Sperrüberzugs-Zusammensetzung umfassen, wie hierin unten beschrieben. Die vorliegenden Sperrüberzüge können geeignet sein zum Einsatz in Hochtemperatur-Umgebungen, wie solchen, die in Gasturbinentriebwerken vorliegen.
Spezifischer können die TBCs hierin allgemein aus einem Umwelt-Sperrüberzug zusammengesetzt sein, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus BSAS, einem Seltenerdmonosilicat, einem Seltenerddisilicat, Mullit, Silicium und Kombinationen daraus. Die TBCs können allgemein eine Wärmesperrenüberzugs-Zusammensetzung umfassen, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Yttriumoxid-stabilisiertem Zirkoniumdioxid, Yttriumoxid-stabilisiertem Hafniumdioxid, Zirkoniumdioxid oder Hafniumdioxid, die mit Calciumoxid, Bariumoxid, Magnesiumoxid, Strontiumoxid, Ceroxid, Ytterbiumoxid, Letitiumoxid und Kombinationen davon stabilisiert sind. Andere hochschmelzende Zusammensetzungen, die zum Einsatz als ein TBC geeignet sein können, können Seltenerddisilicate (z. B. Yttriumdisilicat, Ytterbiumdisilicat und Lutetiumdisilicat), Seltenerdmonosilicate (z. B. Ytterbiummonosilicat und Lutetiummonosilicat), Zirkon, Hafnon, BSAS, Mullit, Magnesiumaluminatspinel, Seltenerdaluminate und Kombinationen davon einschließen, doch sind sie darauf nicht beschränkt. Zusammen sind diese Umweltsperrüberzugs-Zusammensetzungen und Wärmesperrenüberzugs-Zusammensetzungen gemeinsam als „Sperrüberzugs-Zusammensetzungen” bezeichnet.
Um die Sperrüberzugsbänder vorzubereiten, kann eine Aufschlämmung, umfassend mindestens eine Sperrüberzugs-Zusammensetzung, hergestellt werden. Zusätzlich zu der Sperrüberzugs-Zusammensetzung kann die Aufschlämmung ferner irgendein Lösungsmittel, ein Dispersionsmittel, einen Binder und einen Weichmacher umfassen, wie dies hierin weiter unten erläutert ist.
Anfänglich kann ein Keramik-Mischmedium, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Aluminiumoxid, Zirkoniumdioxid, Siliciumcarbid und Ähnlichen, in einem geeigneten Behälter bereitgestellt werden. Das Mischmedium kann von etwa 5 bis etwa 50 Vol.-% des Mischbehälters ausmachen. Das Lösungsmittel, das Dispersionsmittel und die Sperrüberzugs-Zusammensetzung können dann zu dem Behältermedium unter Mischen hinzugegeben werden. Der Begriff „Mischen”, wie er hierin benutzt wird, bezieht sich auf irgendeine konventionelle Technik, die dem Fachmann als geeignet zum Kombinieren von Zusammensetzungen bekannt ist, einschließlich Rühren, Schütteln, Walzen, Kugelmahlen, Vibrationsmalen, Malen mit planetenartiger Bewegung, Kreiselmischermahlen, Paddelrührermahlen und Reibungsmahlen, ist darauf jedoch nicht beschränkt.
Während die Menge der Sperrüberzugs-Zusammensetzung, des Lösungsmittels und Dispersionsmittels, die enthalten sind, variieren können, kann die Aufschlämmung im Allgemeinen von etwa 12 Vol.-% bis etwa 36 Vol.-% und, in einer Ausführungsform, von etwa 17 Vol.-% bis etwa 24 Vol.-% der Sperrüberzugs-Zusammensetzung, von etwa 40 Vol.-% bis etwa 60 Vol.-% und, in einer Ausführungsform, von etwa 50 Vol.-% bis etwa 55 Vol.-% des Lösungsmittels und von etwa 0 Vol.-% bis etwa 6 Vol.-% und, in einer Ausführungsform, von etwa 0 Vol.-% bis etwa 2 Vol.-% eines Dispersionsmittels umfassen, d. h., das Dispersionsmittel wird wahlweise eingesetzt. Das Lösungsmittel kann zu der Gruppe, bestehend aus Ethylalkohol, Methylalkohol, Aceton, Isopropylalkohol, Toluol, Methylisobutylketon, Xylol und Kombinationen davon, gehören, ohne darauf beschränkt zu sein, und das Dispersionsmittel kann irgendein in einem Lösungsmittel lösliches polymeres Material von 200–20.000 g/mol sein, das sich an den Keramikteilchen des Mischmediums adsorbieren kann und eine abstoßende Kraft dazwischen verleiht. Einige Beispiele geeigneter Dispersionsmittel können, z. B., Zephrym^® PD700 (I. C. I. Speciality Chemicals of Wilmington, Delaware), Merpol A (Stepan Company, Northfield, IL), Phospholan^TM PS21-A (Akzo Nobel Surface Chemistry LLC, Chicago, IL) und Menhaden-Fischöl (Sigma Aldrich, St. Louis, MO) einschließen.
Nach dem Kombinieren kann die Aufschlämmung, die das Mischmedium, Lösungsmittel, Dispersionsmittel und die Sperrüberzugs-Zusammensetzung aufweist, weiter für irgendeine geeignete Zeitdauer gemischt werden. Es ist erwünscht, die Aufschlämmung mit genügend Energie zu vermischen, um die Agglomerate in primäre Teilchen aufzubrechen und bis die Aufschlämmung glatt erscheint, was von etwa 4 bis etwa 24 Stunden dauern kann. Nachdem das Vermischen vollständig ist, kann das Mischmedium entfernt werden. Da das Mischmedium fest bleibt, kann es, z. B., durch Gießen der Aufschlämmung durch ein Sieb und/oder unter Benutzung eines Vibrationstisches entfernt werden.
Nach dem Entfernen des Mischmediums können der Binder und der Weichmacher zu der verbliebenen Aufschlämmung, wiederum unter Vermischen, hinzugegeben werden. Der Binder kann aus Polyvinylbutyral, Polymethylmethacrylat, Polyvinylalkohol, Polyethylen, einer Acrylemulsion und Ähnlichem ausgewählt werden. Von etwa 4 Vol.-% bis etwa 15 Vol.-% des Binders können hinzugegeben werden. Ähnlich kann der Weichmacher aus der Gruppe ausgewählt werden, bestehend aus Dibutylphthalat, Dioctalphthalat, Benzylbutylphthalat, Polyethylenglykol und Ähnlichen. Es können von etwa 4 Vol.-% bis etwa 15 Vol.-% des Weichmachers hinzugegeben werden.
Es kann irgendeine konventionelle Bandgießvorrichtung benutzt werden, um die bandgegossenen Sperrüberzüge hierin herzustellen. Übliche Bandgießverfahren, die dem Fachmann bekannt sind, sind zur Anwendung hierin akzeptabel. Siehe, z. B., US-PS 6,375,451 . Allgemein kann die Bandgießvorrichtung ein einstellbares Abstreifmesser aufweisen, das in der gewünschten Weise eingestellt werden kann, um die erwünschte Banddicke zu erzielen, und dies unter sorgfältiger Berücksichtigung einer Schrumpfung, um nach dem Trocknen und Sintern die richtige Banddicke zu erhalten. Die Aufschlämmung kann zu der Vorrichtung durch Gießen der Aufschlämmung in ein Reservoir hinzugegeben werden, das einen Trägerfilm enthält, wie einen mit Silicon überzogenen, biaxial orientierten Polyethylentherephthalat(boPET)-Polyesterfilm, wie bspw. Mylar^®.
In einer Ausführungsform kann der Trägerfilm derart in Bewegung gesetzt werden, dass er sich unter dem Abstreifmesser bewegt, um überschüssige Aufschlämmung zu entfernen und eine gegossene Aufschlämmungsschicht herzustellen, die eine durch die Höhe des Abstreifmessers definierte Dicke aufweist. In einer alternativen Ausführungsform kann das Abstreifmesser über die Aufschlämmung gezogen werden, um überschüssige Aufschlämmung zu entfernen und eine gegossene Aufschlämmungsschicht auf dem Trägerfilm zu schaffen. Die gegossene Aufschlämmung kann man dann trocknen lassen, während die Lösungsmittel verdampfen, um ein Band zu erzeugen. Bei kontinuierlichen Bandgießoperationen kann der Trocknungsprozess erfolgen, während sich der Trägerfilm in Bewegung befindet. Bei chargenweisen Gießoperationen kann das Band hergestellt werden, indem die Bewegung des Trägerfilms unterbrochen und das Band trocknen gelassen wird, bevor mit der Herstellung einer weiteren Charge fortgefahren wird. Ungeachtet der benutzten Operation kann das resultierende „Band” 10, das den Trägerfilm 12 und mindestens eine Sperrüberzugs-Zusammensetzung 14 umfasst, flexibel genug sein, um auf eine Spule aufgerollt zu werden, doch auch mechanisch beständig genug sein, um von dem Trägerfilm ohne Beschädigung abgezogen werden zu können, wie dies unten beschrieben und allgemein in 1 gezeigt ist.
Das Band kann dann auf eine Keramikkomponente (d. h., CMC oder monolithische Keramik), die einen Umwelt- und/oder Wärmesperrenschutz benötigt, oder eine Superlegierungs-Komponente aufgebracht werden, die einen Wärmesperrenschutz benötigt. Das Band kann anfänglich auf die erwünschte Gestalt zugeschnitten werden, wie durch den beabsichtigten Gebrauch bestimmt. Entweder das Band oder die Oberfläche der Keramik- oder Superlegierungs-Komponente, an der das Band befestigt wird, kann mit einem Lösungsmittelsprühnebel besprüht werden, um eine adhäsive Oberfläche zu schaffen, die leicht klebrig für die Berührung sein kann. Diese adhäsive Oberfläche kann helfen, das Band für eine weitere Verarbeitung an Ort und Stelle zu halten. In einer Ausführungsform kann das Lösungsmittel das gleiche Lösungsmittel sein, das zuvor zur Herstellung der Aufschlämmung benutzt wurde. Das Band kann dann auf den erwünschten Abschnitt der Keramik- oder Superlegierungs-Komponente aufgebracht werden, und der Trägerfilm kann entfernt werden, wodurch ein „Sperrüberzugsband 18” hinterlassen wird, das eine Glasübergangs-Temperatur von etwa –35°C bis etwa 67°C und, in einer Ausführungsform, von etwa –20°C bis etwa 20°C aufweist. Wahlweise kann ein Autoklavenzyklus eingesetzt werden um zu helfen, das Sperrüberzugsband an die Komponente zu binden. Falls angewendet, kann der Autoklavenzyklus bei Temperaturen von etwa 150°C bis etwa 400°C und Drucken von etwa Atmosphärendruck bis etwa 500 psi ausgeführt werden.
Es können mehrere Schichten des Sperrüberzugsbandes 18 auf die Komponente 16 aufgebracht werden, um den erwünschten Sperrüberzugsschutz zu erzielen, wie in 2 gezeigt. Der Begriff „Sperrüberzugsband”, wie er hierin benutzt wird, kann eine Schicht oder mehrere Schichten umfassen, wie hier nachstehend beschrieben. Ein EBC kann, z. B., durch Aufbringen von drei Schichten des Sperrüberzugsbandes 18 auf die Komponente hergestellt werden, wobei eine erste Schicht 20 eine Bindeüberzugsschicht, eine zweite Schicht 22 eine Übergangsschicht und eine dritte Schicht 24 eine äußere Schicht repräsentiert. In diesem Fall kann jede Schicht eine andere Sperrüberzugs-Zusammensetzung oder Kombination von Sperrüberzugs-Zusammensetzungen aufweisen, die auf die Komponente eine auf die andere aufgebracht werden können, um die erwünschte dreischichtige EBC herzustellen. Der Fachmann wird verstehen, dass ein solches Schichten auch auf TBCs anwendbar ist. Die Komponente mit dem aufgebrachten Sperrüberzugsband kann dann gesintert werden, um den Binder auszubrennen und eine Komponente 16 zu erhalten, die einen Sperrüberzug 26 umfasst, der die erwünschte Mikrostruktur aufweist, wie allgemein in 3 gezeigt.
Wird das Sperrüberzugsband auf einer Silicium enthaltenden CMC-Komponente gesintert, dann kann das Sintern bei einer Temperatur von 1500°C oder darunter und, in einer Ausführungsform, von etwa 400°C bis etwa 1500°C ausgeführt werden. Wird das Sperrüberzugsband auf einer Oxid-Oxid-CMC-Komponente gesintert, dann kann das Sintern bei einer Temperatur von 2000°C oder darunter und, in einer Ausführungsform, von etwa 400°C bis etwa 2000°C ausgeführt werden. Wird das Sperrüberzugsband auf einer monolithischen Keramik gesintert, dann kann das Sintern bei einer Temperatur von etwa 400°C bis etwa 2000°C und, in einer Ausführungsform, von etwa 400°C bis etwa 1600°C ausgeführt werden. Wird das Sperrüberzugsband auf einer Superlegierungs-Komponente gesintert, dann kann das Sintern in Abhängigkeit von der ausgewählten Superlegierung bei einer Temperatur von etwa 400°C bis etwa 1315°C ausgeführt werden.
In einer Ausführungsform kann die Mikrostruktur des Sperrüberzuges von etwa 90% dicht bis etwa 100% dicht sein, um eine hermetische Abdichtung gegen heiße Gase in einer Verbrennungsumgebung bereitzustellen, wodurch das Band zum Einsatz als ein EBC oder TBC geeignet ist, wenn es eine Anpassung der thermischen Ausdehnung zwischen dem Wärmesperrenüberzug und der Komponente gibt. In einer anderen Ausführungsform kann die Mikrostruktur des Sperrüberzuges von etwa 90% bis etwa 100% dicht und vertikal spalten sein, um als ein TBC zu funktionieren. In einer anderen Ausführungsform kann die Mikrostruktur des Sperrüberzuges porös (d. h., weniger als etwa 90% dicht) sein oder porös und vertikal gespalten sein, um als ein TBC zu wirken. In noch einer anderen Ausführungsform kann die Mikrostruktur des Sperrüberzuges porös sein und als ein abstreifbarer EBC-Überzug wirken. Fachleute auf dem Gebiet werden verstehen, dass die Dichte unter Anwendung konventioneller Techniken, einschließlich REM-Querschnitt oder Eintauchen, gemessen werden kann.
Spezifischer kann in solchen Fällen der EBC eine primäre Schicht, die einen EBC mit einer dichten Mikrostruktur aufweist, wie zuvor definiert, und eine sekundäre Schicht enthalten, die einen abstreifbaren EBC umfasst, der eine poröse Mikrostruktur hat, wie zuvor beschrieben. Die sekundäre Schicht kann auf die primäre Schicht aufgebracht sein. Solche Zweischicht-EBCs können auf Triebwerkskomponenten, wie Ummantelungen, brauchbar sein, wo es nützlich ist, einen schmalen Spalt zwischen der Ummantelung und der Spitze der rotierenden Bläserschaufeln aufrechtzuerhalten, um die Triebwerkseffizienz zu maximieren. Aufgrund der Enge des Spaltes zwischen dem Ummantelungsring und den Bläserschaufelspitzen kann es zu einem Anstreifen kommen, bei dem die Spitze der Schaufel über die Oberfläche des Ummantelungsringes kratzen kann, was den Ummantelungsring und die primäre Schicht beschädigt, die den dichten EBC umfasst. Ist eine einen abstreifbaren EBC umfassende sekundäre Schicht vorhanden, dann kann die Schaufelspitze an der abstreifbaren sekundären Schicht reiben, etwas davon abstreifen, statt die darunter liegende primäre Schicht oder den Ummantelungsring zu berühren und zu beschädigen.
Die hierin beschriebenen bandgegossenen Sperrüberzüge können verschiedene Vorteile gegenüber Sperrüberzügen bieten, die unter Benutzung konventioneller Techniken aufgebracht sind. So können, z. B., wie zuvor erwähnt, die bandgegossenen Sperrüberzüge hierin zu irgendeiner erwünschten Dicke gegossen werden. In einer Ausführungsform kann die Dicke von etwa 0,1 mils bis etwa 100 mils betragen, was sowohl Anforderungen an dünne Überzüge für solche Komponenten, wie Schaufelblätter, als auch Anforderungen an dicke abstreifbare Überzüge für solche Komponenten, wie Ummantelungen, erfüllen könnte. Zusätzlich können die bandgegossenen Sperrüberzüge Sichtlinien-Probleme überwinden, die durch konventionelle Sperrüberzüge präsentiert werden, so dass das Sperrüberzugsband in geeigneter Weise sowohl äußerlich als auch innerlich an der Komponente angeordnet werden kann.
Darüber hinaus können die bandgegossenen Sperrüberzüge eine vereinfachte Reparatur bieten. Im Gegensatz zu dem komplexen Prozess zum Reparieren von unter Anwendung traditioneller Verfahren aufgebrachten EBCs und TBCs gestatten Sperrüberzugsbänder eine Reparatur lokaler Defekte durch Entfernen des beschädigten Abschnittes des Sperrüberzuges von der Komponente unter Zurücklassung eines Leerraumes, Aufbringen eines Sperrüberzugs-Ersatzbandes auf den Leerraum der Komponente und ein anschließendes Sintern der Komponente mit dem Sperrüberzugs-Ersatzband, um die Binder auszubrennen und das Sperrüberzugsband zu verdichten, um einen neuen Sperrüberzug herzustellen. Im Falle mehrerer Schichten von Sperrüberzug kann jede Schicht einzeln geglüht oder die Schichten können gemeinsam geglüht werden. Der Fachmann wird verstehen, dass das hierin beschriebene Reparaturverfahren dazu benutzt werden kann, bandgegossene Sperrüberzüge oder Sperrüberzüge, die unter Anwendung konventioneller Verfahren aufgebracht wurden, zu reparieren.
Einige Gasturbinentriebwerks-Komponenten aus Keramik oder Superlegierung, die vom Aufbringen der hier beschriebenen Sperrüberzugsbänder einen Nutzen haben würden, schließen Leitschaufeln, Laufschaufeln, Ummantelungsringe, Düsen, Klappen, Dichtungen und Brennkammern ein, sind darauf jedoch nicht beschränkt. Insbesondere können Leitschaufeln, Laufschaufeln und Düsen einen Vorteil von der Möglichkeit haben, die Sperrüberzugsbänder auf innere und äußere Oberflächen mit minimalem Abfall aufbringen zu können. Ummantelungsringe können von der Fähigkeit profitieren, dicke abstreifbare Überzüge herzustellen. Klappen, Dichtungen und Ummantelungen sind einfache Geometrien, bei denen die Aufbringung eines Sperrüberzugsbandes einen geradlinigen robusten Prozess darstellen würde, der das Überspritzen vermeiden kann, das mit derzeitigen APS-Verfahren verbunden ist. Brennkammern sind große Komponenten, die durch Plasmaspritzen oder Eintauchen schwierig überzogen werden können. Brennkammern können daher wegen der Einfachheit der Aufbringung von Sperrüberzugsbändern sowohl auf innere als auch äußere Oberflächen einen Nutzen haben. Zusätzlich können Sperrüberzugsbänder auch lokal über existierenden Umwelt- oder Wärmesperrschichten aufgebracht werden, um zusätzliche Schichten zum Schutz spezieller Komponentenstellen, wie Schaufelplattformen oder -spitzen, aufzubauen.
Diese Beschreibung benutzt Beispiele, um die Erfindung, einschließlich der besten Art, zu offenbaren und auch um dem Fachmann zu ermöglichen, die Erfindung herzustellen und zu benutzen. Der patentierbare Umfang der Erfindung ist durch die Ansprüche definiert und kann weitere Beispiele einschließen, die sich dem Fachmann ergeben. Solche weiteren Beispiele sollen in den Rahmen der Ansprüche fallen, wenn sie Strukturelemente aufweisen, die sich nicht vom Wortlaut der Ansprüche unterscheiden, oder wenn sie äquivalente Strukturelemente mit unwesentlichen Unterschieden zum Wortlaut der Ansprüche einschließen.
ZUSAMMENFASSUNG:
Verfahren zum Herstellen bandgegossener Sperrüberzüge, umfassend das Herstellen einer Aufschlämmung, die mindestens ein Lösungsmittel und eine Sperrüberzugs-Zusammensetzung enthält, Aufbringen der Aufschlämmung auf einen Trägerfilm in einer Bandgießvorrichtung zum Herstellen einer gegossenen Aufschlämmung, Verdampfen des Lösungsmittels aus der gegossenen Aufschlämmung zum Herstellen eines Bandes, das den Trägerfilm und die Sperrüberzugs-Zusammensetzung enthält, und Entfernen des Trägerfilmes von dem Band zum Herstellen eines bandgegossenen Sperrüberzuges.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- US 6375451 [0027]

Claims

Verfahren zum Herstellen eines bandgegossenen Sperrüberzuges, umfassend: Herstellen einer Aufschlämmung, die wenigstens ein Lösungsmittel und eine Sperrüberzugs-Zusammensetzung umfasst; Aufbringen der Aufschlämmung auf einen Trägerfilm in einer Bandgießvorrichtung, um eine gegossene Aufschlämmung zu schaffen; Verdampfen des Lösungsmittels aus der gegossenen Aufschlämmung, um ein Band zu schaffen, das aufweist: den Trägerfilm und die Sperrüberzugs-Zusammensetzung; und Entfernen des Trägerfilms von dem Band, um einen bandgegossenen Sperrüberzug zu schaffen.
Verfahren nach Anspruch 1, worin die Sperrüberzugs-Zusammensetzung wenigstens entweder eine Umweltsperrüberzugs-Zusammensetzung und/oder eine Wärmesperrüberzugs-Zusammensetzung umfasst.
Verfahren nach Anspruch 2, worin die Sperrüberzugs-Zusammensetzung eine Umweltsperrüberzugs-Zusammensetzung umfasst, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus BSAS, einem Seltenerdmonosilicat, einem Seltenerddisilicat, Mullit, Silicium und Kombinationen davon.
Verfahren nach Anspruch 2, worin die Sperrüberzugs-Zusammensetzung einen Wärmesperrüberzug umfasst, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Yttriumoxid-stabilisiertem Zirkoniumdioxid, Yttriumoxid-stabilisiertem Hafniumdioxid, Zirkoniumdioxid stabilisiert mit Calciumoxid, Bariumoxid, Magnesiumoxid, Strontiumoxid, Ceroxid, Ytterbiumoxid, Lutetiumoxid und Kombinationen davon, Hafniumdioxid stabilisiert mit Calciumoxid, Bariumoxid, Magnesiumoxid, Strontiumoxid, Ceroxid, Ytterbiumoxid, Lutetiumoxid, Gadoliniumoxid, Neodymoxid und Kombinationen davon, Seltenerdisilicaten, Seltenerdmonosilicaten, Zirkon, Hafnon, BSAS, Mullit, Magnesiumaluminatspinel, Seltenerdaluminaten und Kombinationen davon.
Verfahren nach Anspruch 2, worin das Lösungsmittel ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Ethylalkohol, Methylalkohol, Aceton, Isopropylalkohol, Toluol, Methylisobutylketon, Xylol und Kombinationen davon.
Verfahren nach Anspruch 1, worin der Trägerfilm einen Silicon-überzogenen, biaxial orientierten Polyethylenterephthalatpolyesterfilm umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, worin die Aufschlämmung weiter irgendeines aufweist von: einem Dispersionsmittel; einem Binder, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Polyvinylbutyral, Polymethylmethacrylat, Polyvinylalkohol, Polyethylen und einer Acrylemulsion, und einem Weichmacher, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Dibutylphthalat, Dioctylphthalat, Benzylbutylphthalat und Polyethylenglykol.
Verfahren nach Anspruch 6, das ein Mischen der Aufschlämmung für etwa 4 Stunden bis von etwa 24 Stunden aufweist, bevor die Aufschlämmung in der Bandgießvorrichtung angeordnet wird.
Verfahren nach Anspruch 2, worin der bandgegossene Sperrüberzug eine Glasübergangstemperatur von etwa –35°C bis etwa 67°C aufweist.
Verfahren zum Herstellen einer Komponente, die einen Sperrüberzug aufweist, das aufweist: Bereitstellen einer Komponente; Formen wenigstens einer Schicht eines Bandes, das aufweist: einen Trägerfilm und wenigstens eine Sperrüberzugs-Zusammensetzung; Aufbringen der wenigstens einen Schicht geformten Bandes auf die Komponente; Entfernen des Trägerfilms von dem Band, um einen bandgegossen Sperrüberzug zu erzeugen, und Sintern der Komponente, die den bandgegossenen Sperrüberzug aufweist, um einer Komponente zu erzeugen, die einen Sperrüberzug aufweist.
Verfahren nach Anspruch 10, worin die Komponente aus der Gruppe ausgewählt ist, zu der Leitchaufeln, Laufschaufeln, Ummantelungen, Düsen, Klappen, Dichtungen und Brennkammern gehören.
Verfahren nach Anspruch 10, worin die Komponente eine Keramik umfasst, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Siliciumcarbid, Siliciumnitrid, Aluminiumoxid, Siliciumdioxid, Mullit, Aluminiumoxid-Mullit, Aluminiumoxid-Siliciumdioxid, Aluminiumoxid-Siliciumdioxid-Boroxid, Siliciumaluminiumoxynitrid und Kombinationen davon.
Verfahren nach Anspruch 10, worin die Komponente eine Superlegierung umfasst, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Superlegierungen auf Eisenbasis, Superlegierungen auf Nickelbasis und Superlegierungen auf Kobaltbasis.
Verfahren nach Anspruch 10, worin die Sperrüberzugs-Zusammensetzung wenigstens entweder eine Umweltsperrüberzugs-Zusammensetzung und/oder eine Wärmesperrenüberzugs-Zusammensetzung umfasst.
Verfahren nach Anspruch 14, worin die Sperrüberzugs-Zusammensetzung eine Umweltsperrüberzugs-Zusammensetzung umfasst, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus BSAS, einem Seltenerdmonosilicat, einem Seltenerddisilicat, Mullit, Silicium und Kombinationen davon.
Verfahren nach Anspruch 14, worin die Sperrüberzugs-Zusammensetzung einen Wärmesperrenüberzug umfasst, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Yttriumoxid-stabilisiertem Zirkoniumdioxid, Yttriumoxid-stabilisiertem Hafniumdioxid, Zirkoniumdioxid stabilisiert mit Calciumoxid, Bariumoxid, Magnesiumoxid, Strontiumoxid, Ceroxid, Ytterbiumoxid, Lutetiumoxid, Gadoliniumoxid, Neodymoxid und Kombinationen davon, Hafniumdioxid stabilisiert mit Calciumoxid, Bariumoxid, Magnesiumoxid, Strontiumoxid, Ceroxid, Ytterbiumoxid, Lutetiumoxid und Kombinationen davon, Seltenerdisilicaten, Seltenerdmonosilicaten, Zirkon, Hafnon, BSAS, Mullit, Magnesiumaluminatspinel, Seltenerdaluminaten und Kombinationen davon.
Verfahren nach Anspruch 10, worin das Sintern ein Erhitzen der Komponente, die den bandgegossenen Sperrüberzug aufweist, auf eine Temperatur von etwa 400°C bis etwa 1500°C, wenn die Komponente ein siliciumhaltiges Keramikmatrix-Verbundmaterial umfasst, von etwa 400°C bis etwa 2000°C, wenn die Komponente ein Oxid-Oxid-Keramikmatrix-Verbundmaterial umfasst, von etwa 400°C bis etwa 2000°C, wenn die Komponente eine monolithische Keramik umfasst, und von etwa 400°C bis etwa 1315°C umfasst, wenn die Komponente eine Superlegierung umfasst.
Verfahren nach Anspruch 14, worin der bandgegossene Sperrüberzug eine Dicke von etwa 0,1 mils bis etwa 100 mils umfasst.
Verfahren zum Herstellen einer Komponente, die einen Sperrüberzug aufweist, umfassend: Bereitstellen einer Komponente; Formen mehrerer Schichten eines Bandes, das aufweist: einen Trägerfilm und wenigstens eine Sperrüberzugs-Zusammensetzung; Aufbringen eines ersten geformten Bandes auf die Komponente; Entfernen des Trägerfilms von dem ersten Band, um eine erste bandgegossene Sperrüberzugsschicht zu erzeugen, Aufbringen wenigstens eines zweiten geformten Bandes auf die erste bandgegossene Sperrüberzugsschicht, und Sintern der Komponente, die mehrere bandgegossene Sperrüberzugsschichten aufweist, um eine Komponente zu erzeugen, die einen Sperrüberzug aufweist.
Verfahren nach Anspruch 19, worin der bandgegossene Sperrüberzug eine Dicke von etwa 0,1 mils bis etwa 100 mils aufweist.
Bandgegossener Sperrüberzug, hergestellt nach einem Verfahren, das aufweist: Herstellen einer Aufschlämmung, die mindestens ein Lösungsmittel und eine Sperrüberzugs-Zusammensetzung umfasst; Anordnen der Aufschlämmung auf einen Trägerfilm in einer Bandgießvorrichtung zum Herstellen einer gegossenen Aufschlämmung; Verdampfen des Lösungsmittels aus der gegossenen Aufschlämmung zum Herstellen eines Bandes, das aufweist: den Trägerfilm und die mindestens eine Sperrüberzugs-Zusammensetzung; und Entfernen des Trägerfilms von dem Band zum Herstellen eines bandgegossenen Sperrüberzuges.
Bandgegossener Sperrüberzug nach Anspruch 21, worin die Sperrüberzugs-Zusammensetzung wenigstens entweder eine Umweltsperrüberzugs-Zusammensetzung und/oder eine Wärmesperrüberzugs-Zusammensetzung umfasst.
Bandgegossener Sperrüberzug nach Anspruch 22, worin die Sperrüberzugs-Zusammensetzung eine Umweltsperrüberzugs-Zusammensetzung umfasst, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus BSAS, einem Seltenerdmonosilicat, einem Seltenerddisilicat, Mullit, Silicium und Kombinationen davon.
Bandgegossener Sperrüberzug nach Anspruch 22, worin die Sperrüberzugs-Zusammensetzung einen Wärmesperrüberzug umfasst, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Yttriumoxid-stabilisiertem Zirkoniumdioxid, Yttriumoxid-stabilisiertem Hafniumdioxid, Zirkoniumdioxid stabilisiert mit Calciumoxid, Bariumoxid, Magnesiumoxid, Strontiumoxid, Ceroxid, Ytterbiumoxid, Lutetiumoxid und Kombinationen davon, Hafniumdioxid stabilisiert mit Calciumoxid, Bariumoxid, Magnesiumoxid, Strontiumoxid, Ceroxid, Ytterbiumoxid, Lutetiumoxid, Gadoliniumoxid, Neodymoxid und Kombinationen davon, Seltenerdisilicaten, Seltenerdmonosilicaten, Zirkon, Hafnon, BSAS, Mullit, Magnesiumaluminatspinel, Seltenerdaluminaten und Kombinationen davon.
Bandgegossener Sperrüberzug nach Anspruch 21, umfassend eine Glasübergangstemperatur von etwa –20°C bis etwa 20°C.