DE112008003502T5

DE112008003502T5 - Verfahren zum Verbessern der Beständigkeit gegen CMAS-Infiltration

Info

Publication number: DE112008003502T5
Application number: DE112008003502T
Authority: DE
Inventors: Ming Hamilton Fu; Ramgopal West Chester Darolia; Mark D. West Chester Gorman; Bangalore Aswatha West Chester Nagaraj
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2007-12-27
Filing date: 2008-12-08
Publication date: 2010-11-25
Also published as: GB2469762A; CA2709931A1; GB201009421D0; GB2469762B; WO2009085577A3; WO2009085577A2; US20090169752A1; JP2011508093A

Abstract

Verfahren zum Verbessern der Beständigkeit eines Wärmesperren-Überzugssystems gegen CMAS-Infiltration, wobei das Verfahren umfasst:
Bereitstellen eines Substrates, das mindestens eine Oberfläche aufweist;
Bereitstellen eines Bindeüberzuges auf der Substratoberfläche;:
wahlweise, Aussetzen des Bindeüberzuges gegenüber geeigneten Bedingungen, um eine thermische gewachsene Oxidschicht auf dem Bindeüberzug zu bilden;
Abscheiden einer inneren Wärmesperren-Überzugsschicht, die über dem Bindeüberzug liegt, wobei die innere Schicht ein Wärmesperren-Überzugsmaterial einschließt, das mindestens eines von Zirkoniumdioxid und Hafniumdioxid einschließt;
Abscheiden einer oberen Schicht, die über mindestens einem Abschnitt der inneren Schicht liegt, wobei die obere Schicht ein Seltenerdaluminat enthaltendes Material einschließt.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung ist auf ein Mehrschicht-Überzugssystem für Komponenten des heißen Abschnittes einer Turbine gerichtet und, mehr im Besonderen, auf einen Mehrschichtüberzug, der Seltenerdelemente einschließt, und auf überzogene Gegenstände.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Calcium-Magnesium-Aluminium-Silicat(CMAS)-Infiltration ist eine Erscheinung, der mit der Abspaltung eines Wärmesperrüberzuges (TBC) bei Komponenten im heißen Abschnitt einer Turbine verbunden ist.
Wärmesperrüberzüge werden auf Komponenten des heißen Abschnittes eines Triebwerks, einschließlich Brennerabschnitt- und Turbinenabschnitt-Komponenten benutzt, um die darunter liegenden Basismaterialien vor hohen Temperaturen, als einem Resultat des Strömens heißer Verbrennungsgase durch die Turbine, zu schützen. Diese heißen Verbrennungsgase können oberhalb des Schmelzpunktes der Basismaterialien liegen, die typischerweise Superlegierungs-Materialien sind, die auf Eisen, Nickel, Kobalt und Kombinationen daraus beruhen. Die Wärmesperrüberzüge bieten passiven Schutz vor Überhitzung, und sie werden in Verbindung mit einer kühlenden Luftströmung benutzt, die aktiven Kühlschutz bietet.
Unter Einsatzbedingungen können diese mit einer Wärmesperre überzogenen Triebwerks-Komponenten des heißen Abschnittes verschiedenen Arten der Beschädigung unterliegen, einschließlich Erosion, Oxidation und Korrosion wegen des Aussetzens gegenüber den gasförmigen Verbrennungsprodukten, Beschädigung durch Fremdgegenstände und Angriff von Umweltverunreinigungen. Umweltverunreinigungen, die in der Luft vorhanden sein können, schließen Sand, Schmutz, Vulkanasche, Schwefel in Form von Schwefeldioxid, Flugasche, Zementteilchen, Startbahnstaub und andere Verunreinigungen ein, die in die Atmosphäre ausgestoßen werden können, wie metallische Teilchen, wie Magnesium, Calcium, Aluminium, Silicium, Chrom, Nickel, Eisen, Barium, Titan, Alkalimetalle und Verbindungen davon, ein schließlich der Oxide, Carbonate, Phosphate, Salze und deren Mischungen. Diese Umweltverunreinigungen kommen zu den korrosiven und oxidativen Verunreinigungen hinzu, die aus der Verbrennung von Brennstoff resultieren. Diese Verunreinigungen können an den Oberflächen der Komponenten des heißen Abschnittes, die typischerweise mit einer Wärmesperre überzogen sind, haften.
Bei der Betriebstemperatur des Triebwerkes können diese Verunreinigungen Verunreinigungs-Zusammensetzungen auf den Wärmesperrüberzügen bilden. Diese Verunreinigungs-Zusammensetzungen schließen typischerweise Calciumoxid, Magnesiumoxid, Aluminiumoxid, Siliciumdioxid (CMAS) ein und ihre Abscheidungen werden als CMAS bezeichnet. Bei Temperaturen oberhalb etwa 2240°F werden diese CMAS-Zusammensetzungen flüssig und infiltrieren den TBC. Diese Infiltration durch flüssiges CMAS zerstört die Nachgiebigkeit des TBC und führt zur vorzeitigen Abspaltung des TBC. Zusätzlich zum Nachgiebigkeitsverlust treten nachteilige chemische Reaktion mit Yttriumoxid und Zirkoniumdioxid innerhalb des TBC ebenso wie mit dem thermi sche gewachsenen Oxid an der Bindeüberzugs/TBC-Grenzfläche auf und führen zu einer Verschlechterung des Überzugssystems.
Die Abspaltung aufgrund der CMAS-Infiltration wurde in Strahltriebwerken ein größeres Problem, da ihre Betriebstemperaturen zur Verbesserung der Effizienz zugenommen haben, ebenso wie in Triebwerken, die sich im mittleren Osten und in Küstenregionen in Betrieb befinden. Hohe Konzentrationen feinen Sandes und Staubes in der Umgebungsluft können die Verschlechterung durch CMAS beschleunigen. Eine typische Zusammensetzung von CMAS ist, z. B., 35 Mol-% CaO, 10 Mol-% MgO, 7 Mol-% Al₂O₃, 48 Mol-% SiO₂, 3 Mol-% Fe₂O₃ und 1,5 Mol-% NiO. Die Abspaltung des TBC aufgrund des Aussetzens gegenüber CMAS bei erhöhter Temperatur schafft natürlich nur die Voraussetzungen für ernstere Probleme. Fortgesetzter Betrieb des Triebwerkes nach dem Verlust des passiven Schutzes der Wärmesperre führt zur raschen Oxidation des Schutzüberzuges der Basismetall-Superlegierung und zum letztendlichen Versagen der Komponente durch Hindurchbrennen oder Reißen. Eine solche signifikante Notlage wurde tatsächlich sowohl in militärischen als auch kommerziellen Triebwerken beobachtet.
Es wurden verschiedene Lösungen des Problems der Beeinträchtigung durch CMAS versucht. Da jedoch Betriebstemperaturen von Triebwerken einen graduellen Trend zu höheren Temperaturen zeigen, sind immer wirksamere Behandlungen notwendig. Notwendig ist ein TBC-System, das beständig ist gegen CMAS-Penetration bei erhöhten Temperaturen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Hierin offenbarte Ausführungsformen bieten Verfahren zum Verbessern der Beständigkeit eines Wärmesperren-Überzugssystems gegen CMAS-Infiltration. Ein beispielhaftes Ver fahren schließt das Bereitstellen eines Substrates, das mindestens eine Oberfläche aufweist, Abscheiden eines Bindeüberzuges auf der Substratoberfläche, und, wahlweise, Aussetzen des Bindeüberzuges gegenüber geeigneten Bedingungen ein, um eine thermisch gewachsene Oxidschicht auf dem Bindeüberzug zu bilden. Das Verfahren schließt weiter das Abscheiden einer inneren Wärmesperren-Überzugsschicht, die über dem Bindeüberzug liegt, wobei die innere Schicht ein Wärmesperren-Überzugsmaterial einschließt, das mindestens eines von Zirkoniumdioxid und Hafniumdioxid einschließt, und Abscheiden einer obere Schicht ein, die über mindestens einem Abschnitt der inneren Schicht liegt, wobei die obere Schicht ein ein Seltenerdaluminat enthaltendes Material einschließt.
Ein beispielhaftes Verfahren schließt das Abscheiden einer inneren Wärmesperren-Überzugsschicht auf einem mit Bindeüberzug versehenen Substrat zum Einsatz in einem heißen Abschnitt eines Gasturbinen-Triebwerkes und das Abscheiden einer oberen Schicht ein, die über mindestens einem Abschnitt der inneren Schicht liegt, wobei die obere Schicht ein Seltenerdaluminat enthaltendes Material einschließt.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
1 zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines überzogenen Gegenstandes, der ein beispielhaftes Überzugssystem verkörpert.
2 ist eine schematische Darstellung eines Re₂O₃-Al₂O₃-Phasendiagramms, das beispielhafte Seltenerdaluminat-Verbindungen veranschaulicht.
3 ist eine Mikrofotografie, die die Mikrostruktur einer Seltenerdaluminat-Probe nach dem Aussetzen ge genüber CMAS bei 1371°C (2500°F) für eine Stunde und damit nach der Reaktion zeigt.
4 ist ein Fließbild eines beispielhaften Überzugsverfahrens.
5 zeigt Differenzialthermoanalyse(DTA)-Kurven einer Testprobe.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Bezugnehmend auf 1 schließen beispielhafte Ausführungsformen einen überzogenen Gegenstand 10 ein, der ein mehrschichtiges Wärmesperren-Überzugssystem 12 einschließt, das beständig ist gegen CMAS-Infiltration, insbesondere zum Aufbringen auf ein Substrat 14 von Komponenten von Gasturbinen-Triebwerken im heißen Abschnitt. Das Substrat 14 schließt ein metallisches Substrat ein, das eines thermisches Schutzes bedarf. Beispielhafte Substrate schließen Superlegierungs-Substrate auf Nickelbasis ein.
In einer beispielhaften Ausführungsform schließt das Überzugssystem 12 eine Bindeüberzugsschicht 16 ein, die über mindestens einem Abschnitt des Substrates 14 und in Kontakt damit liegt. Die Bindeüberzugsschicht 16 kann ein Decküberzug sein, wie MCrAlX (worin M = Ni, Co, Fe und deren Kombinationen, und X = Y, Hf, Zr, Re, Si usw. und deren Kombinationen), obwohl es auch ein Diffusionsaluminid sein kann, das hierin als ein Überzug oder eine Glasur beschrieben wird, wie ein einfaches Aluminid (NiAl) oder ein Platin-modifiziertes Aluminid [(Ni, Pt)Al]. Die Bindeüberzugsschicht 16 kann die Bildung einer dünnen, fest anhaftenden Aluminiumoxidschicht 20 fördern, die üblicherweise als thermisch gewachsenes Oxid (TGO) bekannt ist. In einer beispielhaften Ausführungsform liegt ein Wärmesperrüberzug (TBC) 24 über der Bindeüberzugsschicht 16. Das TGO wirkt als eine Adhäsionsschicht zwischen dem TBC 24 und der Bindeüberzugsschicht 16. Die Bindeüberzugsschicht bietet auch Oxidationsschutz für das darunter liegende Substrat. In einer beispielhaften Ausführungsform schließt der TBC mindestens eine innere TBC-Schicht 26 und eine obere Seltenerdaluminid enthaltende TBC-Schicht 28 ein, die über mindestens einem Abschnitt der inneren TBC-Schicht 26 liegt. In einer beispielhaften Ausführungsform liegt die innere Schicht 26 über der TGO-Schicht 20 und in Kontakt damit oder, bei Abwesenheit der TGO-Schicht 20, der Bindeüberzugsschicht 16. Wahlweise kann der TBC eine Übergangsschicht 30 einschließen, die allgemein zwischen der inneren Schicht 26 und der oberen Schicht 28 angeordnet ist. Die Bezugnahme auf „Übergangsschicht 30” soll ein oder mehrere Übergangs-Unterschichten umfassen, die einen Zusammensetzungs-Gradienten zwischen der inneren Schicht 26 und der oberen Schicht 28 bilden. Bei Abwesenheit der wahlweisen Übergangsschicht 30 liegt die obere Schicht 28 allgemein über der inneren Schicht 26 und steht in Kontakt damit.
In einer beispielhaften Ausführungsform kann die innere TBC-Schicht 26 ein Wärmesperren-Überzugsmaterial sein, wie Yttriumoxid-stabilisiertes Zirkoniumdioxid (YSZ). Ein beispielhaftes Yttriumoxid-stabilisiertes Zirkoniumdioxid schließt Zirkoniumdioxid ein, das mit 7 Gew.-% Yttriumoxid stabilisiert ist, bezeichnet als 7YSZ. In einer beispielhaften Ausführungsform kann die innere TBC-Schicht 26 Zirkoniumdioxid umfassen, das mit etwa 4–9 Gew.-% Yttriumoxid stabilisiert ist. Alternativ kann die innere TBC-Schicht 26 Hafniumdioxid oder eine Kombination von Hafniumdioxid und Zirkoniumdioxid, stabilisiert mit etwa 4–9 Gew.-% Yttriumoxid, umfassen. Es ist vorgesehen, dass andere verträgliche Wärmesperrüberzugs-Zusammensetzungen und -Systeme in den hier offenbarten beispielhaften Ausführungsformen eingesetzt werden können. So kann, z. B., der TBC ein Wärmesperrüberzug geringer thermischer Leitfähigkeit sein, wie, z. B., in der US-PS 6,558,814 beschrieben. Es ist weiter vorgesehen, dass die innere TBC-Schicht 26 eine Vielzahl von Unterschichten umfassen kann, die in der Lage sind, den erwünschten Wärmesperrenschutz für das darunter liegende Substrat zu liefern.
In einer beispielhaften Ausführungsform umfasst die obere TBC-Schicht 28 ein Seltenerdaluminid enthaltendes Material. Beispielhafte einphasige Seltenerdaluminat-Verbindungen schließen 2RE₂O₃·Al₂O₃; REAlO₃; RE₃Al₅O₁₂ ein, worin RE = ein Element der Lanthanreihe, Yttrium oder Kombinationen davon ist. Für die Zwecke der Offenbarung kann das Seltenerdaluminid enthaltende Material als eine Aluminiumoxid(Al₂O₃)-Komponente und eine Seltenerdoxid-Komponente aufweisend angesehen werden. 2 gibt ein schematisches Re₂O₃-Al₂O₃-Phasendiagramm an, das repräsentative Seltenerdaluminid enthaltende Materialien veranschaulicht.
Unter Bezugnahme auf 3 tritt, wenn CMAS erhöhter Temperatur ausgesetzt wird, die Aluminiumoxid-Komponente des Seltenerdaluminat enthaltenden Materials 40 in Wechselwirkung mit dem CMAS, um den Schmelzpunkt von CMAS zu erhöhen. Die Seltenerdoxid-Komponente reagiert mit dem CMAS unter Bildung einer abdichtenden Reaktionsschicht 42, die eine Seltenerd-Calcium-Silicatphase 44 hohen Schmelzpunktes einschließt. Diese abdichtende Reaktionsschicht 42 ist wirksam, die darunter liegende TBC-Schicht vor CMAS-Angriff bei erhöhten Temperaturen zu schützen, wenn das CMAS flüssig wird.
Die obere Seltenerdaluminid enthaltende TBC-Schicht 28 kann eine einphasige Seltenerdaluminat-Verbindung, eine Mischung von zwei oder mehr Seltenerdaluminat-Verbindungen, eine Seltenerdaluminat-Verbindung und Al₂O₃, eine Seltenerdaluminat-Verbindung und Seltenerdoxid einschließen, wobei die seltene Erde ein Element der Lanthanreihe, von Yttrium oder Kombinationen davon ist.
In einer beispielhaften Ausführungsform kann das Seltenerdaluminat enthaltende obere TBC-Schichtmaterial eine Al₂O₃-Komponentenkonzentration aufweisen, die im Bereich von etwa 20 bis etwa 90 Mol-% liegt, wobei der Rest ein Seltenerdoxid einschließt, wobei die seltene Erde ein Element der Lanthanreihe, Yttrium oder Kombinationen davon ist. Beispielhafte Seltenerdaluminat enthaltende Verbindungen schließen 2Gd₂O₃·Al₂O₃, 2Dy₂O₃·Al₂O₃, 2Y₂O₃·Al₂O₃, 2Er₂O₃·Al₂O₃, LaAlO₃, NdAlO₃, SmAlO₃, EuAlO₃, GdAlO₃, DyAlO₃, ErAlO₃, Dy₃Al₅O₁₂, Y₃Al₅O₁₂, Er₃Al₅O₁₂ und Lu₃Al₅O₁₂ ein.
Die wahlweise Übergangsschicht 30 kann eine stabilisierte Zirkoniumdioxid-Komponente (z. B. 7YSZ) und eine Seltenerdaluminat enthaltende Komponente (z. B. ein Material ähnlich der oberen TBC-Schicht 28) einschließen. Falls vorhanden, soll die Übergangsschicht 30 einen Zusammensetzungsgradienten zwischen der inneren Schicht 26 und der oberen Schicht 28 bereitstellen. Mehrere Übergangs-Unterschichten können vorgesehen sein, wobei die relativen Konzentrationen der stabilisierten Zirkoniumdioxid-Komponente und der Seltenerdaluminat enthaltenden Komponente in der Richtung zur oberen Schicht 28 hin abnehmen bzw. zunehmen. So kann, z. B., die Übergangsschicht 30 eine Konzentration der Seltenerdaluminat enthaltenden Komponente von etwa 10 Gew.-% zur mittleren Region des Überzuges hin bereitstellen. Zur äußeren Oberfläche der Übergangsschicht kann sich die Konzentration der Seltenerdaluminat enthaltenden Komponente 100 Gew.-% annähern.
Nochmals auf 1 bezugnehmend, schließt ein beispielhaftes Wärmesperren-Überzugssystem eine Bindeüberzugsschicht 16 von etwa 25,4 bis etwa 152 μm (etwa 1 bis etwa 6 mils) Dicke, eine innere TBC-Schicht 26 von etwa 25,4 bis etwa 254 μm (etwa 1 bis etwa 10 mils) Dicke und eine TBC-Deckschicht 28 von etwa 12,7 bis etwa 254 μm (etwa 0,5 bis etwa 10 mils) Dicke ein. Dieses beispielhafte Wärmesperren-Überzugssystem kann brauchbar sein, die erwünschte CMAS-Beständigkeit für Gasturbinentriebwerks-Laufschaufeln und -Düsen und -Brennerteile bereitzustellen.
Ein anderes beispielhaftes Wärmesperren-Überzugssystem schließt eine Bindeüberzugsschicht 16 von etwa 50,8 bis etwa 508 μm (etwa 2 bis etwa 20 mils) Dicke, eine innere TBC-Schicht 26 von etwa 50,8 bis etwa 635 μm (etwa 2 bis etwa 25 mils) Dicke und eine obere TBC-Schicht 28 von etwa 254 bis etwa 1524 μm (etwa 10 bis etwa 60 mils) Dicke ein. Dieses bei spielhafte Wärmesperren-Überzugssystem kann brauchbar zur Schaffung der erwünschten CMAS-Beständigkeit für Gasturbinentriebwerks-Umhüllungen und -Brennerteile sein. In einer beispielhaften Ausführungsform liegt über dem Abschnitt der inneren Schicht 26, der besonders empfindlich ist für Abbau durch CMAS, die obere TBC-Schicht 28.
In einer beispielhaften Ausführungsform ist ein Verfahren zum Erhöhen der Beständigkeit gegen Abbau eines Wärmesperren-Überzugssystems durch CMAS in 4 veranschaulicht. In einem beispielhaften Verfahren 100 wird ein Substrat, wie eine Komponente für ein Gasturbinen-Triebwerk für einen Hochtemperaturbereich bereitgestellt (Stufe 110). Eine Bindeüberzugsschicht wird auf mindestens einer Oberfläche des Substrates abgeschieden (Stufe 112). Das mit Bindeüberzug versehene Substrat kann geeigneten Bedingungen unterworfen werden, um eine thermisch gewachsene Oxidschicht zu bilden (Stufe 114). In einer beispielhaften Ausführungsform wird die Bindeüberzugsschicht im Wesentlichen mit einer inneren Wärmesperren-Überzugsschicht bedeckt (Stufe 116). Die innere Wärmesperren-Überzugsschicht kann durch ein geeignetes Verfahren, wie physikalische Dampfabscheidung (z. B. physikalische Dampfabscheidung mittels Elektronenstrahl (EB-PVD)) oder durch thermisches Spritzen (z. B. Luftplasmaspritzen (APS)) abgeschieden werden. Die innere Wärmesperren-Überzugsschicht kann in einer solchen Weise abgeschieden werden, dass sie eine Mikrostruktur aufweist, die hierin als dichte vertikale Mikrorisse (DVM) bezeichnet wird, wie im Stande der Technik bekannt. Die innere Wärmesperren-Überzugsschicht kann in Abhängigkeit von dem Abscheidungsverfahren andere Mikrostrukturen zeigen, wie eine säulenförmige Struktur (z. B. bei EB-PVD-Abscheidung) oder eine spritzerartige Struktur (z. B. von APS). Wahlweise kann das mit Bindeüberzug versehene Substrat vor dem Aufbringen der inneren Wärmesperren-Überzugsschicht vorerhitzt werden (Stufe 115).
In einem beispielhaften Verfahren kann die innere TBC-Schicht wahlweise zur Aufnahme der nachfolgenden TBC-Schicht(en) modifiziert werden (Stufe 118). So kann, z. B., die Oberfläche durch Sandstrahlen oder andere die Oberfläche modifizierende Techniken aufgeraut werden. In einer beispielhaften Ausführungsform kann die innere TBC-Schicht wahlweise vor dem Abscheiden der nachfolgenden TBC-Schicht(en) vorerhitzt werden (Stufe 120).
In einer beispielhaften Ausführungsform können ein oder mehrere Übergangsschichten wahlweise auf der inneren Schicht abgeschieden werden (Stufe 122).
In einer beispielhaften Ausführungsform wird ein Seltenerdaluminat enthaltendes Material auf der TBC-Schicht (oder der (den) wahlweisen Übergangsschicht(en)) durch ein geeignetes Abscheidungsverfahren zur Bildung einer oberen TBC-Schicht abgeschieden (Stufe 124). In einer beispielhaften Ausführungsform kann das Abscheidungsverfahren ein physikalisches Dampfabscheidungs-Verfahren einschließen. In einer beispielhaften Ausführungsform kann das Abscheidungsverfahren ein thermisches Spritzverfahren einschließen. Andere Abscheidungsverfahren können Flüssigkeitsspritz- oder Flüssigreagenz-Infiltrationsverfahren einschließen. Der Fachmann wird erkennen, dass verschiedene Abscheidungsverfahren in Abhängigkeit von der erwünschten Dicke, Mikrostruktur und anderen thermischen oder mechanischen Eigenschaften benutzt werden können. Es ist vorgesehen, dass verschiedene Schichten des TBC-Systems durch verschiedene Verfahren abgeschieden werden können, um ein erwünschtes Resultat zu erzielen.
Nach dem Aussetzen der überzogenen Komponente gegenüber CMAS bei erhöhten Temperaturen wird der Schmelzpunkt von CMAS durch Kontakt mit der oberen TBC-Schicht aufgrund der Auflösung von Al₂O₃-Komponente aus der oberen TBC-Schicht erhöht. Der erhöhte Schmelzpunkt verhindert die Bildung des sehr zerstörerischen verflüssigten CMAS. Die Seltenerdaluminid-Komponente der oberen TBC-Schicht tritt in Wechselwirkung mit dem CMAS zur Bildung einer Seltenerd-Calcium-Silicat-Phase. Die Wechselwirkung des CMAS mit der oberen TBC-Schicht bildet wirksam eine abdichtende Reaktionsschicht.
Die hierin offenbarten Überzugsschichten können nach irgendeinem geeigneten Verfahren aufgebracht werden. Das Aufbringverfahren kann durch die aufzubringende Komponente bestimmt sein. Umhüllungsring und Brenner-Baueinheiten erfordern dickere Überzüge, sind jedoch von relativ einfacher Gestalt. Verfahren, wie thermische Spritzverfahren, können benutzt werden, um die verschiedenen Schichten aufzubringen. Thermische Spritzverfahren sind billiger und relativ rasche Verfahren zum Aufbringen eines dicken Überzuges auf eine Oberfläche. Diese Techniken sind allgemein in Sichtlinie ausgeführte Verfahren. Thermische Spritzprozesse schließen Luftplasmaspritzen, Vakuum-Plasmaspritzen, Niederdruck-Plasmaspritzen, HVOF, Detonationskanone und andere verwandte Verfahren ein.
Dünnere Überzüge sind auf Strukturen wie Laufschaufeln und stationären Schaufeln erforderlich. Die dünneren Ü berzüge erfordern genauere Regelungen. Physikalische Dampfabscheidungen sind für diese Anwendungen bevorzugt. Elektronenstrahl-Verfahren (EB-PVD) sind die bevorzugtesten Verfahren zum Aufbringen dünner Überzüge auf Gegenständen, wie Laufschaufeln und stationäre Schaufeln.
BEISPIEL
Eine einphasige Seltenerdaluminat-Probe (LaAlO₃) wurde 1 Stunde lang gegenüber CMAS bei 1371°C (2500°F) ausgesetzt. Die in 2 gezeigte Mikrofotografie veranschaulicht die Reaktionsprodukte. LaAlO₃ reagiert mit CMAS zur Bildung einer La-Calcium-Silicat-Phase (nadelartige Gestalten). Energie dispersive-Spektrometer(EDS)-Analyse zeigte, dass der Al₂O₃-Gehalt in dem CMAS nach der Reaktion viel höher ist als im ursprünglichen CMAS, ein Anzeichen der Auflösung der Al₂O₃-Komponente aus LaAlO₃ im ursprünglichen CMAS. Die Auflösung von Al₂O₃ in CMAS führt zur Zunahme des Schmelzpunktes von CMAS, wie durch die CMAS/Al₂O₃-Differenzialthermoanalyse(DTA)-Kurven in 5 gezeigt.
Dieses Beispiel zeigt somit, dass eine. Seltenerdaluminat enthaltende obere TBC-Schicht durch die Bildung der abdichtenden Reaktionsschicht, die Seltenerd-Calcium-Silicat enthält, durch die Zunahme des Schmelzpunktes von CMAS aufgrund des Al₂O₃-Gehaltes der oberen Schicht Schutz gegen CMAS im Hochtemperaturbereich sowie im Niedertemperaturbereich verleiht (wo die Seltenerd-Calcium-Silicat-Bildung träge ist).
Während die Erfindung unter Bezugnahme auf eine bevorzugte Ausführungsform beschrieben wurde, sollte dem Fachmann klar sein, dass verschiedene Änderungen vorgenommen und Äquivalente für Elemente eingesetzt werden können, ohne den Umfang der Erfindung zu verlassen. Zusätzlich können viele Mo difikationen vorgenommen werden, um eine spezielle Situation oder ein spezielles Material an die Lehren der Erfindung anzupassen, ohne dass deren wesentlicher Umfang verlassen wird. Es ist daher beabsichtigt, dass die Erfindung nicht auf die als die beste Methode offenbarte spezielle Ausführungsform beschränkt ist, sondern dass die Erfindung alle Ausführungsformen einschließt, die in den Umfang der beigefügten Ansprüche fallen.
ZUSAMMENFASSUNG
Verfahren zum Schaffen einer verbesserten Beständigkeit gegen CMAS-Infiltration für Komponenten eines Gasturbinen-Triebwerks im heißen Abschnitt. Beispielhafte Verfahren schließen Überziehen eines Substrates mit einem Wärmesperren-Überzugssystem durch Überdecken eines mit Bindeüberzug versehenen Substrates mit einer inneren Wärmesperrenschicht, die aus Wärmesperrenmaterial, wie Yttriumoxid-stabilisiertem Zirkoniumdioxid, zusammengesetzt ist, ein. Eine obere Schicht, die ein Seltenerdaluminat einschließt, wird derart abgeschieden, dass sie über mindestens einem Abschnitt der inneren Schicht liegt. Abscheidungsverfahren und Überzugsdicken können an die Art der zu überziehenden Komponente angepasst werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- US 6558814 [0017]

Claims

Verfahren zum Verbessern der Beständigkeit eines Wärmesperren-Überzugssystems gegen CMAS-Infiltration, wobei das Verfahren umfasst: Bereitstellen eines Substrates, das mindestens eine Oberfläche aufweist; Bereitstellen eines Bindeüberzuges auf der Substratoberfläche;: wahlweise, Aussetzen des Bindeüberzuges gegenüber geeigneten Bedingungen, um eine thermische gewachsene Oxidschicht auf dem Bindeüberzug zu bilden; Abscheiden einer inneren Wärmesperren-Überzugsschicht, die über dem Bindeüberzug liegt, wobei die innere Schicht ein Wärmesperren-Überzugsmaterial einschließt, das mindestens eines von Zirkoniumdioxid und Hafniumdioxid einschließt; Abscheiden einer oberen Schicht, die über mindestens einem Abschnitt der inneren Schicht liegt, wobei die obere Schicht ein Seltenerdaluminat enthaltendes Material einschließt.
Verfahren Anspruch 1, weiter umfassend: Abscheiden mindestens einer Übergangsschicht im Anschluss an das Abscheiden der inneren Schicht und vor dem Abscheiden der oberen Schicht.
Verfahren nach Anspruch 1, weiter umfassend: Modifizieren einer Oberfläche der inneren Schicht in Vorbereitung zur Aufnahme der oberen Schicht nach dem Abscheiden der inneren Schicht.
Verfahren nach Anspruch 1, weiter umfassend: Vorerhitzen des Substrates, auf dem der Bindeüberzug und die innere Schicht abgeschieden sind, bis zu einer geeigneten Vorerhitzungs-Temperatur vor dem Abscheiden der oberen Schicht.
Verfahren nach Anspruch 1, weiter umfassend: Vorerhitzen des Substrates, auf dem der Bindeüberzug abgeschieden ist, auf eine geeignete Vorerhitzungs-Temperatur vor dem Abscheiden der inneren Schicht.
Verfahren nach Anspruch 1, worin das Abscheiden der oberen Schicht das Abscheiden mindestens einer aus der Gruppe einschließt, die aus einer einphasigen Seltenerdaluminat-Verbindung, einer Mischung von zwei oder mehr Seltenerdaluminat-Verbindungen, einer Seltenerdaluminat-Verbindung und Aluminiumoxid (Al₂O₃) und einer Seltenerdaluminat-Verbindung und Seltenerdoxid besteht.
Verfahren nach Anspruch 1, worin das Abscheiden der oberen Schicht das Abscheiden einer einphasigen Seltenerdaluminat-Verbindung einschließt, die ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus 2Gd₂O₃·Al₂O₃, 2Dy₂O₃·Al₂O₃, 2Y₂O₃·Al₂O₃, 2Er₂O₃·Al₂O₃, LaAlO₃, NdAlO₃, SmAlO₃, EuAlO₃, GdAlO₃, DyAlO₃, ErAlO₃, Dy₃Al₅O₁₂, Y₃Al₅O₁₂, Er₃Al₅O₁₂ und Lu₃Al₅O₁₂.
Verfahren nach Anspruch 1, worin das Abscheiden der oberen Schicht das Abscheiden des Seltenerdaluminat enthalten den Materials einschließt, das von etwa 20 bis etwa 90 Mol-% einer Aluminiumoxid (Al₂O₃)-Komponente umfasst, wobei ein Rest ein Seltenerdoxid einschließt.
Verfahren nach Anspruch 1, worin das Abscheiden der inneren Schicht das Abscheiden mindestens eines Mitgliedes der Gruppe einschließt, die aus einer zumindest teilweise stabilisierten Zirkoniumdioxid-Zusammensetzung, einer zumindest teilweise stabilisierten Hafniumdioxid-Zusammensetzung und Kombinationen daraus besteht.
Verfahren nach Anspruch 1, weiter einschließend das Abscheiden mindestens einer Übergangsschicht zwischen der inneren Schicht und der oberen Schicht, worin die mindestens eine Übergangsschicht einen Zusammensetzungsgradienten zwischen der inneren Schicht und der oberen Schicht umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, worin das Bereitstellen des Bindeüberzuges das Bereitstellen mindestens eines aus einem MCrAlX-Decküberzug, einem einfachen Aluminidüberzug und einem Platin-modifizierten Aluminidüberzug einschließt.
Verfahren nach Anspruch 1, worin: das Bereitstellen des Substrates das Bereitstellen eines Gasturbinentriebwerks-Umhüllungsringes oder eines -Brennerteiles einschließt; das Bereitstellen des Bindeüberzuges das Bereitstellen eines MCrAlX-Decküberzuges, eines einfachen Aluminidüberzuges oder eines Platin-modifizierten Aluminidüberzuges einschließt, der eine Dicke von etwa 2 bis etwa 20 mils aufweist; das Abscheiden der inneren Schicht das Abscheiden eines Wärmesperren-Überzugsmaterials einschließt, um eine Dicke der inneren Schicht von etwa 2 bis etwa 25 mils zu erzielen; das Abscheiden der oberen Schicht das Abscheiden des Seltenerdaluminat enthaltenden Materials einschließt, um eine Dicke der oberen Schicht von etwa 5 bis etwa 60 mils zu erzielen.
Verfahren nach Anspruch 1, worin: das Bereitstellen des Substrates das Bereitstellen einer Gasturbinentriebwerks-Laufschaufel, -Düse oder eines -Brennerteiles einschließt; das Bereitstellen des Bindeüberzuges das Bereitstellen eines Decküberzuges, eines einfachen Aluminidüberzuges oder eines Platin-modifizierten Aluminüberzuges einschließt, der eine Dicke von etwa 1 bis etwa 6 mils aufweist; das Abscheiden der inneren Schicht das Abscheiden des Wärmesperren-Überzugsmaterials einschließt, um eine Dicke der inneren Schicht von etwa 1 bis etwa 10 mils zu erzielen; das Abscheiden der oberen Schicht das Abscheiden des Seltenerdaluminat enthaltenden Materials einschließt, um eine Dicke der oberen Schicht von etwa 0,5 bis etwa 10 mils zu erzielen.
Verfahren nach Anspruch 1, worin das Abscheiden der inneren Schicht das Anwenden einer Abscheidungstechnik einschließt, ausgewählt aus thermischen Spritzverfahren, physikalischen Dampfabscheidungsverfahren, chemischen Abscheidungsverfahren und Aufschlämmungs-Abscheidungsverfahren.
Verfahren nach Anspruch 1, worin das Abscheiden der oberen Schicht das Anwenden einer Abscheidungstechnik einschließt, die ausgewählt ist aus thermischen Spritzverfahren, physikalischen Dampfabscheidungsverfahren, chemischen Abscheidungsverfahren und Aufschlämmungs-Abscheidungsverfahren.
Verfahren zum Verbessern der Beständigkeit eines Wärmesperren-Überzugssystems gegen CMAS-Infiltration, wobei das Verfahren umfasst: Abscheiden einer inneren Wärmesperren-Überzugsschicht auf einem mit Bindeüberzug versehenen Substrat zum Einsatz in einem heißen Abschnitt eines Gasturbinen-Triebwerks; Abscheiden einer oberen Schicht, die über mindestens einem Teil der inneren Schicht liegt, wobei die obere Schicht ein Seltenerdaluminat enthaltendes Material einschließt.
Verfahren nach Anspruch 16, worin das Seltenerdaluminat enthaltende Material mindestens ein Mitglied ist, ausgewählt aus einer einphasigen Seltenerdaluminat-Verbindung, einer Mischung von zwei oder mehr Seltenerdaluminat-Verbindungen, einer Seltenerdaluminat-Verbindung und Aluminiumoxid (Al₂O₃) und einer Seltenerdaluminat-Verbindung und Seltenerdoxid.
Verfahren nach Anspruch 17, worin die einphasige Seltenerdaluminat-Verbindung ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus 2Gd₂O₃·Al₂O₃, 2Dy₂O₃·Al₂O₃, 2Y₂O₃·Al₂O₃, 2Er₂O₃·Al₂O₃, LaAlO₃, NdAlO₃, SmAlO₃, EuAlO₃, GdAlO₃, DyAlO₃, ErAlO₃, Dy₃Al₅O₁₂, Y₃Al₅O₁₂, Er₃Al₅O₁₂ und Lu₃Al₅O₁₂.
Verfahren nach Anspruch 17, worin das Seltenerdaluminat enthaltende Material von etwa 20 bis etwa 90 Mol-% einer Aluminiumoxid (Al₂O₃)-Komponente umfasst, wobei ein Rest ein Seltenerdoxid einschließt.