DE112009002080T5

DE112009002080T5 - Erosions- und schlagbeständige Überzüge

Info

Publication number: DE112009002080T5
Application number: DE112009002080T
Authority: DE
Inventors: Robert William Ohio Bruce; John William Ohio Hanify; Roger O. Ohio Barbe
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2008-08-29
Filing date: 2009-07-20
Publication date: 2011-07-07
Anticipated expiration: 2029-07-21
Also published as: DE112009002080B4; JP2012501386A; CA2734605A1; WO2010044936A9; US8118561B2; GB2476884B; US20090011195A1; GB2476884A; GB201102149D0; WO2010044936A1; CA2734605C

Abstract

Erosions- und schlagbeständiger Keramiküberzug auf einer Oberfläche, die Zusammenstößen mit Teilchen ausgesetzt ist, wobei der Keramiküberzug durch ein physikalisches Dampfabscheidungsverfahren abgeschieden wird, um eine säulenförmige und/oder dichte Mikrostruktur, eine gesamte Überzugsdicke von bis zu etwa 100 μm und eine Zusammensetzung aufzuweisen, die ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus: mindestens einer Schicht von TiAlN mit einer Dicke von etwa 25 bis etwa 100 μm; mehreren Schichten von CrN und TiAlN derart, dass Schichten von CrN zwischen Schichten von TiAlN liegen, wobei jede Schicht eine Dicke von etwa 0,2 bis etwa 1 μm aufweist, um eine gesamte Überzugsdicke von mindestens etwa 3 μm zu ergeben; und mindestens einer Schicht von TiSiCN mit einer Dicke von etwa 15 bis etwa 100 μm.

Description

BEZUGNAHME AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
Dies ist eine Teilfortsetzungsanmeldung zur anhängigen US-Patentanmeldung Serial Nr. 11/656,974, eingereicht am 24. Januar 2007, die eine Fortsetzungsanmeldung von Serial Nr. 10/898,755, eingereicht am 26. Juli 2004, nun US-Patent Nr. 7,186,092 , ist. Die Inhalte dieser früheren Anmeldungen werden durch Bezugnahme hier aufgenommen.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Schutzüberzüge und spezieller auf erosions- und schlagbeständige Überzüge, die zum Einsatz in Gasturbinen-Triebwerken geeignet sind.
Gasturbinen, einschließlich der Gasturbinen-Triebwerke, umfassen allgemein einen Verdichter, einen Brenner, in dem eine Mischung aus Brennstoff und Luft vom Verdichter verbrannt wird, um Verbrennungsgase zu erzeugen, und eine Turbine, die durch die Verbrennungsgase, die den Brenner verlassen, drehend angetrieben wird. Sowohl der Verdichter als auch die Turbine benutzen Schaufeln mit Schaufelblättern (airfoils), gegen die während des Betriebes des Gasturbinen-Triebwerkes Luft (Verdichter) oder Verbrennungsgase (Turbine) gerichtet werden, und deren Oberflächen daher einer Schlag- und Erosionsbeschädigung durch Teilchen ausgesetzt sind, die in der durch das Triebwerk angesaugten Luft mitgeführt werden. Turbowellen-Triebwerke, die in Helikoptern benutzt werden, neigen besonders zum Ansaugen signifikanter Mengen von Teilchen, wenn sie unter gewissen Bedingungen betrieben werden, wie in Wüsten, wo das Ansaugen von Sand wahrscheinlich ist.
Obwohl beide angesaugten Teilchen zuzuschreiben sind, kann die Schlagbeschädigung von der Erosionsbeschädigung unterschieden werden. Schlagbeschädigung wird primär durch Auftreffen von Teilchen hoher kinetischer Energie verursacht und tritt typischerweise an der Vorderkante eines Schaufelblattes auf. Sich mit relativ hohen Geschwindigkeiten bewegend, schlagen Teilchen auf die Vorderkante oder den vorderen Abschnitt des Schaufelbattes in einem flachen Winkel zur (konkaven) Druckoberfläche des Schaufelbattes auf, so dass der Aufschlag auf der Vorderkante mit dem Kopf nach vorn oder ähnlich erfolgt. Weil das Schaufelbatt typischerweise aus einer Metalllegierung gebildet ist, die zumindest etwas duktil ist, können Teilchenaufschläge die Vorderkante verformen, Grate bilden, die die Luftströmung stören und beschränken, die Wirksamkeit des Verdichters beeinträchtigen und die Brennstoffwirksamkeit des Triebwerkes verringern. Erosionsbeschädigung wird primär durch vorbeistreichende oder schräge Teilchenaufschläge auf der Druckseite eines Schaufelbattes verursacht und neigt zur Konzentration in einem Bereich vor der Hinterkante und zweitens in einem Bereich nach der oder jenseits der Vorderkante. Solche vorbeistreifenden Aufschläge neigen zur Entfernung von Material von der Druckoberfläche, insbesondere nahe der rückwärtigen Kante. Das Resultat ist, dass sich das Schaufelbatt graduell verdünnt und, aufgrund eines Verlustes an Sehnenlänge, seinen wirksamem Oberflächenbereich verliert, was zu einer Abnahme der Leistungsfähigkeit des Verdichters des Triebwerkes führt. Verdichterschaufeln leiden sowohl an Schlag- als auch Erosionsbeschädigung, doch sind sie besonders der Schlagbeschädigung entlang ihrer Vorderkanten ausgesetzt ebenso wie Erosionsbeschädigung auf ihren (konkaven) Druckoberflächen.
Verdichter von Gasturbinen-Triebwerken der Art, wie sie in Helikoptern eingesetzt werden, werden häufig als Blisks hergestellt, bei denen eine Scheibe und ihre Schaufeln als ein einziges integrales Teil hergestellt wird, im Gegensatz zum Herstellen der Scheibe und Schaufeln separat und dann Anordnen der Schaufeln auf der Scheibe. Die Schaufeln eines Blisk sind typischerweise mit einem Überzug geschützt, der unter Anwendung verschiedener Techniken, die physikalische Dampfabscheidungs(PVD)- und chemische Dampfabscheidungs(CVD)-Verfahren einschließen, abgeschieden werden kann. Die Wirksamkeit eines Schutzüberzuges auf den Schaufeln eines Blisk ist besonders wichtig, da der gesamte Blisk aus dem Triebwerk entfernt werden muss, wenn genügend Erosions- oder Schlagbeschädigung aufgetreten ist. Überzugsmaterialien, die in weitem Rahmen benutzt werden, um Blisk-Schaufeln zu schützen, sind allgemein harte, erosionsbeständige Materialien, wie Nitride und Carbide. Siehe, z. B., US-PS 4,904,528 von Gupta et al. (Titannitrid-Überzüge), US-PS 4,839,245 von Sue et al. (Zirkoniumnitrid-Überzüge) und US-PS 4,741,975 von Naik et al. (Wolframcarbid- und Wolframcarbid/Wolfram-Überzüge). Während sie eine geeignete Erosionsbeständigkeit zeigen, sind harte Überzugsmaterialien, wie Titannitrid, nicht beständig gegen Schlagbeschädigung. Eine größere Schlagbeständigkeit wurde mit relativ dicken Überzügen erzielt, die aus Wolframcarbid und Chromcarbid gebildet sind, die mit einem bei hoher Geschwindigkeit ausgeführten Oxy-Brennstoff(HVOF)-Abscheidungsverfahren zu Dicken von etwa 75 μm (0,003 inch) aufgebracht wurden. Wie im Stande der Technik bekannt, ist die HVOF-Abscheidung ein thermisches Spritzverfahren, mit dem Teilchen, die in einem Überschallstrom von Wasserstoff und Sauerstoff, der einer Verbrennung unterliegt, mitgeführt werden, auf eine Oberfläche gerichtet werden und die erweichten Teilchen scheiden sich als „Spritzer” ab, um einen Überzug zu erzeugen, der nicht-säulenförmige, irregulär abgeflachte Körner und einen Grad der Inhomogenität und Porosität aufweist.
Die erforderliche Dicke dieser Überzugsmaterialien kann zu exzessiv schweren Überzügen führen, die die Ermüdungslebensdauer der Schaufel (z. B., die Langzeitermüdung (HCF)) beeinträchtigen kann, und aus diesem Grunde werden die Überzüge häufig nur auf die Druckseite einer Schaufel nahe der Schaufelspitze aufgebracht. Während durch HVOF abgeschiedene Wolframcarbid- und Chromcarbid-Überzüge gut arbeiten, wenn sie relativ runden Teilchen ausgesetzt werden, wie sie in Wüstensanden auftreten, zeigen diese Überzüge höhere Raten der Erosion, wenn sie aggressiveren Teilchen ausgesetzt sind, wie zerstoßenem Aluminiumoxid und zerstoßenem Quarz, deren Gestalten irregulärer mit scharfen Ecken sind.
PVD-Verfahren, wie Zerstäuben oder physikalische Elektronenstrahl-Dampfabscheidung (EB-PVD) scheiden Überzüge ab, die sich mikrostrukturell von HVOF-Überzügen dahingehend unterscheiden, das sie dichter sind und/oder säulenförmige Mikrostrukturen aufweisen. Durch diese PVD-Verfahren abgeschiedene harte erosionsbeständige Materialien, wie Nitride und Carbide, arbeiten hinsichtlich der Erosionsbeständigkeit besser, wenn sie aggressiven Medien ausgesetzt sind, wie zerkleinertem Aluminiumoxid oder zerkleinertem Quarz. Durch PVD abgeschiedene Überzüge, die sich ebenfalls von durch HVOF abgeschiedenen Überzüge hinsichtlich mechanischer Eigenschaften, wie Duktilität und Elastizitätsmodul, unterscheiden, sind jedoch empfindlich hinsichtlich des Reißens und der Schichtablösung, wenn sie mit runden Teilchen bombardiert werden.
In Anbetracht des Obigen besteht ein Bedarf an Überzugsmaterialien zum Gebrauch als Schutzüberzüge auf Gasturbinenschaufeln und insbesondere Verdichterschaufeln von Helikoptern und anderen Flugzeugen, die in Wüstenumgebungen eingesetzt werden, die sowohl Erosionsbeständigkeit als auch Schlagbeständigkeit zeigen. Es wäre auch erwünscht, wenn solche Überzüge wirksam wären, ohne zu einem zu großen Gewicht des Verdichters beizutragen oder erwünschte Eigenschaften der Schaufeln, wie Ermüdungslebensdauer, zu beeinträchtigen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung schafft erosions- und schlagbeständige Überzüge, die geeignet sind zum Schützen von Oberflächen, die Kollisionen mit Teilchen ausgesetzt sind, die nominell runde Teilchen, die Schlagbeschädigung bedingen, und aggressivere irregulär geformte Teilchen einschließen, die Erosionsbeschädigung bedingen.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird der erosions- und schlagbeständige Überzug derart gebildet, dass er eine von drei Zusammensetzungen hat. Eine erste der Zusammensetzungen besteht aus Titanaluminiumnitrid (TiAlN), das als eine oder mehrere Schichten vorhanden ist, wobei jede Schicht eine Dicke von etwa 25 bis etwa 100 μm aufweist. Eine zweite der Zusammensetzungen besteht aus mehreren Schichten von Chromnitrid (CrN) und TiAlN derart, dass ein oder mehrere Schichten von CrN zwischen einer oder mehreren Schichten von TiAlN liegen, wobei jede Schicht ein Dicke von etwa 0,2 bis etwa 1,0 μm aufweist, um eine gesamte Überzugsdicke von mindestens etwa 3 μm zu ergeben. Die dritte Zusammensetzung besteht aus Titansiliciumcarbonitrid (TiSiCN), das als eine oder mehrere Schichten vorhanden ist, wobei jede Schicht eine Dicke von etwa 15 bis etwa 100 μm aufweist. In jedem Fall hat der Überzug eine gesamte Überzugsdicke von bis zu etwa 100 μm, und er wird durch ein physikalisches Dampfabscheidungsverfahren derart aufgebracht, dass er eine säulenförmige und/oder dichte Mikrostruktur aufweist, gegenüber der nicht-säulenförmigen, irregulären und porösen Mikrostruktur, die resultieren würde, wenn Überzüge der gleichen Zusammensetzungen durch HVOF abgeschieden werden würden.
Ein signifikanter Vorteil dieser Erfindung ist es, dass bei Abscheidung in einer gesamten Überzugsdicke von mindestens 15 μm und vorzugsweise mindestens 25 μm die Überzugszusammensetzungen Beständigkeit sowohl gegen Schlag- als auch Erosionsbeschädigung zeigen, die besser ist als die von Wolframcarbid- und Chromcarbid-Überzügen, die durch HVOF abgeschieden sind. Weiter sind die Überzugszusammensetzungen in der Lage, brauchbare Niveaus des Schutzes bei geringeren Dicken zu bieten, als Wolframcarbid- und Chromcarbidüberzüge, die durch HVOF abgeschieden sind. Als ein Resultat sind die Überzüge gut geeignet zum Einsatz als Schutzüberzüge auf Gasturbinenschaufeln und insbesondere Verdichterschaufeln von Helikoptern und anderen Flugzeugen, die in Wüstenumgebungen eingesetzt werden, ohne dass sie zu zu großem Gewicht beitragen oder erwünschte Eigenschaften der Schaufeln beeinträchtigen.
Andere Aufgaben und Vorteile dieser Erfindung ergeben sich aus der folgenden detaillierten Beschreibung.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
1 ist eine perspektivische Ansicht eines Verdichter-Blisk, bei dem Überzüge dieser Erfindung benutzt werden können.
2 ist eine gescannte Abbildung eines Mehrschichtüberzuges gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
3 ist ein Balkendiagramm, das Daten von Vergleichs-Erosionstests repräsentiert, die an Überzugszusammensetzungen dieser Erfindung und Überzugszusammensetzungen nach dem Stande der Technik ausgeführt wurden.
DETALLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
1 repräsentiert einen Blisk 10 eines Gasturbinen-Triebwerkes. Blisk 10 hat eine Nabe 12, von der aus sich Schaufeln 14 radial erstrecken. Die Schaufeln 14 können integral mit der Nabe 12 hergestellt werden, was eine mit Schaufeln versehene Scheibe oder einen integral mit Schaufeln versehenen Rotor ergibt. Der Begriff „integral” wird benutzt, um mehrere Komponenten zu bezeichnen, die wirksam ein einziges Teil ohne irgendwelche mechanischen Diskontinuitäten dazwischen bilden, seien die Komponenten entweder integral separat hergestellt und dann metallurgisch verbunden oder original als einziges Werkstück gebildet. Die vorliegende Erfindung ist besonders geeignet für Blisks, die als Niederdruckgebläse von Flugzeug-Gasturbinentriebwerke eingesetzt werden, doch ist sie auch anwendbar auf Blisks, die in anderen Anwendungen benutzt werden. Weiter kann die Erfindung für andere Anwendungen brauchbar sein, die Schlag- und Erosionsbeständigkeit erfordern, z. B. Gebläse, Windräder bzw. Propeller, Brechvorrichtungen, Gebläsekomponenten, Pitotrohre, Venturirohre, Teilchenseparatoren, Flugzeug-Landegetriebekomponenten, Energieübertragungs-Komponenten, Instrumente usw.
Jede Schaufel 14 hat einen Schaufelbattabschnitt mit gegenüberliegend angeordneter konkaver (Druck-) und konvexer (Saug-)Oberfläche 16 und 18, gegenüberliegend angeordneter Vorder- und Hinterkante 20 und 22 und einer Schaufelspitze 24. Die Schaufeln sind aus einer Metalllegierung konstruiert, die in die gewünschte Gestalt gebracht werden kann, den notwendigen Betriebsbelastungen widersteht und mit dem Nabenmaterial verträglich ist. Beispiele geeigneter Legierungen schließen, ohne darauf beschränkt zu sein, Legierungen auf der Grundlage von Titan, Aluminium, Kobalt, Nickel und Stahl ein. Besondere Beispiele schließen Stähle, wie A286 (bezogen auf das Gewicht, etwa 24% bis 27% Nickel, 13,5% bis 16% Chrom, 1% bis 1,75% Molybdän, 1,9% bis 2,3% Titan, 0,10% bis 0,5% Vanadium, 0,003% bis 0,010% Bor, maximal 0,35% Aluminium, maximal 0,08% Kohlenstoff, maximal 2,00% Mangan, maximal 1,00% Silicium, Rest Eisen) und AM-355 (bezogen auf das Gewicht, etwa 15% bis 16% Chrom, 4% bis 5% Nickel, 2,5% bis 3,25% Molybdän, 0,07% bis 0,13% Stickstoff, 0,50% bis 1,25% Mangan, maximal 0,50% Silicium, maximal 0,040% Phosphor, maximal 0,030% Schwefel, Rest Eisen), Legierungen auf Nickelbasis, wie IN718 (bezogen auf das Gewicht, etwa 50–55% Nickel, 17–21% Chrom, 2,8–3,3% Molybdän, 4,75–5,5% Niob + Tantal, 0–1% Kobalt, 0,65–1,15% Titan, 0,2–0,8% Aluminium, 0–0,35% Mangan, 0–0,3% Kupfer, 0,02–0,08% Kohlenstoff, maximal 0,006% Bor, Rest Eisen) und Legierungen auf Titanbasis ein, wie Ti-6Al-4V (bezogen auf das Gewicht, etwa 6% Aluminium, 4% Vanadium, Rest Titan) und Ti-8Al-1V-1Mo (bezogen auf das Gewicht, etwa 8% Aluminium, 1% Vanadium, 1% Molybdän, Rest Titan).
Die Vorderkanten 20 der Schaufeln 14 neigt zu Schlagbeschädigung, während Erosionsbeschädigung auf den Druckoberflächen 16 der Schaufeln 14, insbesondere nahe den Schaufelspitzen 24, aufzutreten neigt. Um die Schlagbeschädigung zu minimieren, sind zumindest die Vorderkanten 20 der Schaufeln mit einem erosionsbeständigen und schlagbeständigen Keramiküberzug geschützt, und um die Erosionsbeschädigung zu minimieren, sind mindestens Abschnitte der Druckoberflächen 16 der Schaufeln 14 und vorzugsweise die gesamte Druckoberfläche 16 jeder Schaufel 14 mit dem gleichen erosionsbeständigen und schlagbeständigen Keramiküberzug geschützt. Der Überzug kann auch auf die Saugoberfläche 18 jeder Schaufel 14 ebenso wie auf die Hinterkanten 22 der Schaufeln 14 aufgebracht werden. Der Überzug ist vorzugsweise vollständig aus einer oder mehreren Keramikzusammensetzungen hergestellt und er kann mit einem metallischen Bindeüberzug an das Schaufelsubstrat gebunden sein.
Gemäß der Erfindung enthält der Keramiküberzug eine oder mehrere Schichten von TiAlN, mehrere Schichten von CrN und TiAlN in Kombination (z. B. abwechselnde Schichten) und ein oder mehrere Schichten von TiSiCN, vorzugsweise ohne irgendwelche metallischen Zwischenschichten zwischen den Keramikschichten. Der Keramiküberzug hat vorzugsweise eine Dicke bis zu etwa 100 μm und bevorzugter von etwa 25 bis etwa 100 μm. Überzugsdicken, die 100 μm übersteigen, werden als unnötig hinsichtlich des Schutzes und unerwünscht hinsichtlich zusätzlichen Gewichtes angesehen.
Ist der Keramiküberzug aus TiAlN hergestellt, dann kann die gesamte Überzugsdicke aus einer einzigen Schicht von TiAlN oder mehreren Schichten von TiAlN bestehen. Jede Schicht kann eine Dicke von etwa 25 bis etwa 100 μm aufweisen. TiAlN ist ein hartes Material, das die Erosionsbeständigkeit des Keramiküberzuges fördert. Der Einsatz mehrerer Schichten von TiAlN wird für nützlich zur Förderung der Spannungsentlastung innerhalb des Überzuges angesehen.
Ist der Keramiküberzug aus mehreren Schichten von CrN und TiAlN hergestellt, dann kann jede Schicht eine Dicke von etwa 0,2 bis etwa 1,0 μm, bevorzugter etwa 0,3 bis etwa 0,6 μm, aufweisen, um eine Gesamtüberzugsdicke von mindestens etwa 3 μm zu ergeben. CrN trägt zur Korrosionsbeständigkeit und dem elastischen Verhalten des Keramiküberzuges bei, wobei das Letztere die Schlagbeständigkeit fördert, während TiAlN zur Härte beiträgt, um die Erosionsbeständigkeit des Keramiküberzuges zu fördern. Die Reihenfolge der CrN- und TiAlN-Schichten scheint nicht kritisch zu sein.
Ist der Keramiküberzug aus TiSiCN hergestellt, dann kann die gesamte Überzugsdicke aus einer einzigen Schicht von TiSiCN oder mehreren Schichten von TiSiCN bestehen. Jede Schicht kann eine Dicke von etwa 15 bis etwa 100 μm aufweisen. Die Eignung einer einzigen Schicht ist, so wird angenommen, das Resultat des Siliciumgehaltes (grob etwa 3 Gew.-%) in der Keramik, was die Erosions-Leistungsfähigkeit und das elastische Verhalten des Keramiküberzuges verbessert.
Der metallische Bindeüberzug kann aus einer oder mehreren Metallschichten, vorzugsweise einer oder mehrerer Schichten von Titan und/oder Titan-Aluminium-Legierungen, einschließlich intermetallischer Titanaluminide, hergestellt sein. Der Bindeüberzug kann darauf begrenzt sein, dass er vollständig zwischen dem Keramiküberzug und dem Substrat, das er schützt, angeordnet ist, um die Adhäsion des Keramiküberzuges am Substrat zu fördern.
Der Keramiküberzug wird vorzugsweise durch eine physikalische Dampfabscheidungs(DVD)-Technik abgeschieden, um eine säulenförmige und/oder dichte Mikrostruktur zu haben, im Gegensatz zu der nicht-säulenförmigen, irregulären und porösen Mikrostruktur, die resultieren würde, würde der Keramiküberzug durch HVOF abgeschieden. Geeignete PVD-Verfahren schließen EB-PVD, Kathodenstrahl-PVD und Zerstäuben ein, wobei Zerstäuben als bevorzugt angesehen wird. Geeignete Zerstäubungstechniken schließen, ohne darauf beschränkt zu sein, Gleichstromdioden-Zerstäuben, Radiofrequenz-Zerstäuben, Ionenstrahl-Zerstäuben, reaktives Zerstäuben, Magnetron-Zerstäuben, plasma-unterstütztes Magnetron-Zerstäuben und gesteuertes Lichtbogen-Zerstäuben ein. Magnetron-Zerstäuben und gesteuertes Lichtbogen-Zerstäuben sind aufgrund ihrer hohen Überzugsraten besonders bevorzugt zum Herstellen des Keramiküberzuges dieser Erfindung. Zerstäuben wird vorzugsweise in einer Atmosphäre ausgeführt, die eine Kohlenstoffquelle (z. B. Methan) und eine Stickstoffquelle (z. B. Stickstoffgas) oder eine Quelle von Silicium und Kohlenstoff (z. B. Trimethylsilan (CH₃)₃SiH), um die Carbid-, Silicium- oder Nitrid-Bestandteile des abgeschiedenen Überzuges zu bilden, enthält. Der metallische Bindeüberzug und irgendwelche anderen metallischen Überzüge werden vorzugsweise abgeschieden durch Ausführen des Zerstäubungsverfahrens in einer inerten Atmosphäre, z. B. Argon.
2 ist eine gescannte Abbildung eines Vielschichtüberzuges dieser Erfindung, der durch abwechselnde Schichten von TiAlN und CrN gebildet ist. Jede Schicht wurde bis zu einer Dicke von etwa 1 μm bis zu einer gesamten Überzugsdicke von etwa 18 μm abgeschieden. Wie aus 2 deutlich wird, ist jede Schicht diskret, aber gut an jede benachbarte Schicht gebunden.
In einer Untersuchung, die zur vorliegenden Erfindung führte, wurden Überzüge mit Zusammensetzungen und Makrostrukturen, die oben beschrieben sind, auf Substratproben aus Ti-6Al-4V, Ti-8Al-1V-1Mo und IN718 abgeschieden und zusammen mit anderen Überzugszusammensetzungen getestet, die auf ähnlichen Substraten abgeschieden waren, sowie als bloße Substrate aus Ti-6Al-V, Ti-8Al-1V-1Mo und IN718. Die Überzüge wurden durch gesteuertes Lichtbogenzerstäuben in Anwesenheit eines reaktionsfähigen Gases(reaktives Zerstäuben) bis zu Dicken von weniger als 25 μm bis zu etwa 50 μm abgeschieden. Spezifische Überzugszusammensetzungen schlossen Keramiküberzüge dieser Erfindung (eine einzelne Schicht aus TiAlN, etwa μm-dicke abwechselnde Schichten von TiAlN und CrN und eine einzelne Schicht von TiSiCN) ebenso wie Titannitrid-(TiN)-Überzüge, die durch PVD abgeschieden wurden, und Wolframcarbid/Kobalt(WC/Co)-Überzüge ein, die durch HVOF abgeschieden wurden.
Überzugs-Erosionsraten wurden unter Benutzung von Wüstensand als dem Erosionsmittel ausgeführt und die Überzugs-Leistungsfähigkeit wurde auf der Grundlage der Erosionsrate (Verlust an Überzugsdicke pro Gramm des Erosionsmittels) bestimmt. Das Erosionsmittel hatte eine Teilchengröße von etwa 50 bis etwa 1500 μm und wurde in einem Auftreffwinkel von etwa 30 Grad und mit einer Geschwindigkeit von etwa 100 bis 400 m/s auf die Testproben geschleudert. Resultate der Tests sind in 3 aufgetragen, die zeigen, dass, als eine Gruppe, die TiAlN-Überzüge unter den Testbedingungen am besten arbeiteten. Die Abweichung in den Erosionsraten zwischen den beiden TiAlN-Überzügen auf IN718-Substraten und zwischen den beiden TiAlN-Überzügen auf Ti-6Al-4V-Substraten wurden Überzugsdicken zugeschrieben, wobei die besser arbeitenden Überzüge 50 μm Dicke erreichten und die weniger gut arbeitenden Überzüge Dicken von weniger als 25 μm hatten. Aus diesen Resultaten wurde deutlich, dass die Überzugsdicke ein für das Resultat effektiver Parameter hinsichtlich der Erosionsrate (Beständigkeit) war, und dass Überzugsdicken von weniger als 25 μm unter den Testbedingungen als bevorzugt angesehen wurden. Als eine Gruppe waren die HVOF-WC/Co-Überzüge hinsichtlich der Leistungsfähigkeit an zweiter Stelle. Das nachfolgende Testen von TiAlN/CrN- und TiSiN-Proben, die bis zu Dicken von mehr als 50 μm abgeschieden wurden, zeigten jedoch geringere Erosionsraten (bessere Erosionsbeständigkeit) als die HVOF-WC/Co-Überzüge, was die Schlussfolgerung verstärkt, dass die Erosionsrate von der Überzugsdicke abhängig ist, und dass TiAlN/CrN und TiSiCN in der Lage sind, eine bessere Erosionsbeständigkeit als HVOF-WC/Co-Überzüge zu ergeben, wenn sie in einer genügenden Dicke abgeschieden sind.
Aus der Untersuchung wurde der Schluss gezogen, dass zerstäubte Überzüge, die entweder aus einer einzigen Schicht aus TiAlN, abwechselnden Schichten von TiAlN und CrN oder einer einzigen Schicht von TiSiCN hergestellt wurden, in der Lage sind, Beständigkeit gegen Schlagerosion durch runde Schlagmedien zu zeigen, die besser ist als die der HVOF-Carbidüberzüge nach dem Stande der Technik. Die verbesserte Beständigkeit gegen Schlagerosion wurde der verbesserten Adhäsion zwischen den Überzügen und Substraten und zwischen einzelnen Schichten der Überzüge zugeschrieben, wie durch Verringern des Reißens und der Abspaltung der Überzüge gezeigt.
Während die Erfindung anhand spezifischer Ausführungsformen beschrieben wurde, sollte klar sein, dass andere Formen vom Fachmann ausgeführt werden könnten. Der Umfang der Erfindung ist daher nur durch die folgenden Ansprüche beschränkt.
ZUSAMMENFASSUNG
Erosions- und schlagbeständige Keramiküberzüge, geeignet zum Schützen von Oberflächen, die Zusammenstößen mit Teilchen, einschließlich nominell runder Teilchen, die typischerweise Schlagbeschädigung bedingen, und aggressiveren, irregulär geformten Teilchen ausgesetzt sind, die typischerweise Erosionsbeschädigung bedingen. Der Keramiküberzug ist dahingehend gebildet, dass er eine von drei Zusammensetzungen aufweist: mindestens eine Schicht von Titanaluminiumnitrid (TiAlN) mit einer Dicke von etwa 25 bis etwa 100 μm; mehrere Schichten von Chromnitrid (CrN) und TiAlN, wobei jede Schicht eine Dicke von 0,2 bis etwa 1,0 μm aufweist, um eine gesamte Überzugsdicke von mindestens etwa 3 μm zu ergeben und mindestens eine Schicht von Titansiliciumcarbonitrid (TiSiCN) mit einer Dicke von etwa 15 bis etwa 100 μm. Der Keramiküberzug hat vorzugsweise eines gesamte Überzugsdicke von bis zu etwa 100 μm und er wird durch ein physikalisches Dampfabscheidungsverfahren dahingehend abgeschieden, dass er eine säulenförmige und/oder dichte Mikrostruktur aufweist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 7186092 [0001]
US 4904528 [0005]
US 4839245 [0005]
US 4741975 [0005]

Claims

Erosions- und schlagbeständiger Keramiküberzug auf einer Oberfläche, die Zusammenstößen mit Teilchen ausgesetzt ist, wobei der Keramiküberzug durch ein physikalisches Dampfabscheidungsverfahren abgeschieden wird, um eine säulenförmige und/oder dichte Mikrostruktur, eine gesamte Überzugsdicke von bis zu etwa 100 μm und eine Zusammensetzung aufzuweisen, die ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus: mindestens einer Schicht von TiAlN mit einer Dicke von etwa 25 bis etwa 100 μm; mehreren Schichten von CrN und TiAlN derart, dass Schichten von CrN zwischen Schichten von TiAlN liegen, wobei jede Schicht eine Dicke von etwa 0,2 bis etwa 1 μm aufweist, um eine gesamte Überzugsdicke von mindestens etwa 3 μm zu ergeben; und mindestens einer Schicht von TiSiCN mit einer Dicke von etwa 15 bis etwa 100 μm.
Erosions- und schlagbeständiger Überzug nach Anspruch 1, worin der Keramiküberzug an die Oberfläche mit einem Bindeüberzug gebunden ist, der ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Titan- und Titan-Aluminium-Legierungen.
Erosions- und schlagbeständiger Überzug nach Anspruch 1, worin der Keramiküberzug aus TiAlN besteht.
Erosions- und schlagbeständiger Überzug nach Anspruch 3, worin der Keramiküberzug aus einer einzigen Schicht von TiAlN besteht.
Erosions- und schlagbeständiger Überzug nach Anspruch 3, worin die gesamte Überzugsdicke etwa 25 bis etwa 100 μm beträgt.
Erosions- und schlagbeständiger Überzug nach Anspruch 1, worin der Keramiküberzug aus den mehreren Schichten von CrN und TiAlN besteht.
Erosions- und schlagbeständiger Überzug nach Anspruch 5, worin die gesamte Überzugsdicke etwa 25 bis etwa 100 μm beträgt.
Erosions- und schlagbeständiger Überzug nach Anspruch 1, worin der Keramiküberzug aus TiSiCN besteht.
Erosions- und schlagbeständiger Überzug nach Anspruch 8, worin der Keramiküberzug aus einer einzigen Schicht von TiSiCN besteht.
Erosions- und schlagbeständiger Überzug nach Anspruch 8, worin die gesamte Überzugsdicke etwa 25 bis etwa 100 μm beträgt.
Erosions- und schlagbeständiger Überzug nach Anspruch 1, worin sich die Oberfläche auf einer Gasturbinentriebwerks-Komponente befindet.
Erosions- und schlagbeständiger Überzug nach Anspruch 11, worin die Komponente ein Schaufelblatt eines Blisk ist.
Erosions- und schlagbeständiger Überzug nach Anspruch 12, worin das Schaufelbatt gegenüberliegend angeordnete konkave und konvexe Oberflächen und gegenüberliegend angeordnete Vorder- und Hinterkanten aufweist, und der Keramiküberzug auf mindestens der konkaven Oberfläche vorhanden ist.
Erosions- und schlagbeständiger Überzug nach Anspruch 13, worin der Keramiküberzug die konkave Oberfläche des Schaufelbottes vollständig bedeckt.
Erosions- und schlagbeständiger Überzug nach Anspruch 11, worin die Oberfläche durch ein Substratmaterial gebildet ist, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Stahllegierungen, Legierungen auf Nickelgrundlage und Legierungen auf Titangrundlage.
Verfahren zum Abscheiden des erosions- und schlagbeständigen Überzugs nach Anspruch 1, wobei das Verfahren das Abscheiden des Überzuges durch Zerstäuben umfasst.
Erosions- und schlagbeständiger Keramiküberzug auf einer konkaven Schaufelbattoberfläche einer Gasturbine, wobei der Keramiküberzug durch Zerstäuben derart abgeschieden ist, dass er eine säulenförmige und/oder dichte Mikrostruktur, eine gesamte Überzugsdicke von bis zu etwa 100 μm und eine Zusammensetzung aufweist, die ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus: einer einzigen Schicht von TiAlN mit einer Dicke von etwa 25 bis etwa 100 μm; mehreren Schichten von CrN und TiAlN derart, dass Schichten von CrN zwischen Schichten von TiAlN liegen, wobei jede Schicht eine Dicke von etwa 0,2 bis etwa 1,0 μm aufweist, um eine gesamte Überzugsdicke von mindestens etwa 3 μm zu ergeben; und eine einzige Schicht von TiSiCN mit einer Dicke von etwa 15 bis etwa 100 μm.
Erosions- und schlagbeständiger Überzug nach Anspruch 17, worin der Keramiküberzug aus der einzigen Schicht von TiAlN besteht.
Erosions- und schlagbeständiger Überzug nach Anspruch 17, worin der Keramiküberzug aus den mehreren Schichten von CrN und TiAlN besteht.
Erosions- und schlagbeständiger Überzug nach Anspruch 17, worin der Keramiküberzug aus der einzigen Schicht von TiSiCN besteht.