DE2207483A1

DE2207483A1 - Verfahren zum Vakuumaufdampfen von Legierungsschichten auf Trägerkörper

Info

Publication number: DE2207483A1
Application number: DE19722207483
Authority: DE
Inventors: Frank Peter Glastonbury; Evans Dennis James South Windsor; Conn. Talboom jun. (V.St.A.)
Original assignee: United Aircraft Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 1971-02-18
Filing date: 1972-02-17
Publication date: 1972-08-31
Also published as: IT947180B; AU3513471A; FR2125259A1; CA956187A

Description

PATENTANWÄLTE
DR.-PHIL. G. NlCKi-L · DR.-INÜ. J. DORNER

0 MÖNCHEN 15 LANDWEHRSTR. 35 · POSTFACH !04

TEL. (08 1!) 55 5719

München, den 15.Februar 1972 Anwaltsaktenz.: 14 - Pat. 102

United Aircraft Corporation, 400 Main Street, East Hartford, Connecticut 06106, Vereinigte Staaten von Amerika

Verfahren zum Vakuumaufdampfen von Legierungssciiicaten auf

Trägerkörper

Die Erfindung betrifft die Herstellung von Ketallschichten und insbesondere das Vakuumaufdampfen von Scnichten auf Trägerkörper.

Es ist bekannt, daß die üblichen Superlegierungen auf iMickelbasis oder Kobaltbasis selbst keine genügende Widerstandsfähigkeit gegenüber Oxydation oder Erosion aufweisen, um bei entsprechenden Bauteilen eine Lebensdauer genügender Länge zu erzielen, wenn diese Bauteile einer bewegten, oxydierenden Atmosphäre ausgesetzt sind, wie sie beispielsweise beim Betrieb von Gasturbinentriebwerken anzutreffen ist. Aas diesem Grunde hat man Bauteile aus solchen Legierungen für die hier angedeuteten Zwecke mit einer Schutzschicht versehen.

Beim Anbringen von Schienten besonderer Art, wie sie für weiterentwickelte Strahltriebwerke geschaffen wurden, kommt es hauptsächlicn darauf an, eine Legierungsschicht hohen Schmelzpunktes abzulagern, wobei gleichzeitig oder nachfolgend eine Keaktion mit dem Trägerkörper erfolgt, um die gewünschte Endzusammensetzung, MikroStruktur und Haftung zu erzielen. Die

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neuen Legierungen erfordern im a]!gemeinen die Anwendung besonderer Beschichtungsverfahren, um die richtige Legierung in den gewünschten Mengen auf die zu schützende Oberfläche zu bringen.

Während eine Metallbeschichtung, beispielsweise die Anbringung einer Aluminiumschicht, verhältnismäßig einfach ist, bestehen beim Aufbringen von Schichten aus komplizierten Legierungen durch Aufdampfen der Legierung bedeutende Schwierigkeiten. Die unterschiedlichen Dampfdrücke der in der Legierung vorhandenen Metalle führen dazu, daß die Legierung auf dem Trägerkörper nicht in der gewünschten Zusammensetzung abgelagert werden kann. Man glaubte tatsächlich bisner, daß komplexe Legierungen insbesondere durch Verdampfung mittels Elektronenstrahl praktisch nicht erfolgreich abgelagert werden könnten.

Eine Reihe zur Beschichtung verwendbarer Legierungszusammensetzungen sind bereits im einzelnen beschrieben worden. Als Beispiel hierfür sei eine FeCrAlY-Bescnichtungslegierung genannt, welche eine Wennzusammensetzung von 30 Gewichtsprozenten Chrom, 15 Gewichtsprozenten Aluminium, 0,5 Gewichtsprozenten Yttrium, Rest Eisen aufweist und beispielsweise der US-Patentschrift 3 542 5 30 entnommen werden kann. Eine andere Legierung dieser Art ist die CoCrAlY-Legierung mit etwa 20 Gewichtsprozenten Chrom, 15 Gewichtsprozenten Aluminium, 0,7 Gewichtsprozenten Yttrium, Rest Kobalt.

Die wesentliche Schwierigkeit bei der Ablagerung entsprechender Legierungsschichten besteht in der Handhabung bei den hier in Betracht kommenden nohen Schmelzpunkten und in der Forderung, sämtliche Legierungsbestandteile auch in der anzubringenden Beschichtung ablagern zu können. Zufriedenstellende Ergebnisse konnten erzielt werden, wenn Schichten aus einem einzigen Metall oder aus zwei Metallen aufgebracht wurden, wobei das Vakuumaufdampfverfahren eingesetzt wurde, das beispielsweise der US-Patentschrift 2 746 420 zu entnehmen ist. Die entsprechenden Verfahren, welche bisher in erster Linie für die Aufbringung von Schichten aus Werkstoffen mit verhältnismäßig niedrigem Schmelzpunkt und verhältnismäßig einfacher Zusaminen-

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Setzung verwendet wurden, iiat-er- die ^Lge·ιschaft, daß sie gegenüber Veränderungen der νerfanrensparameter außerordentlich empfindlich sind, weshalb die iteproduzierbarkeit und die Kosten des Verfanrens bei der Aufbringung von Schichten aus komplizierten Legierungen große Probleme darstellen.

Das Vakuumaufdampfen von mittels eines Elektronenstrahls erschmolzenen Metallen war im wesentlichen auf den geradlinig erfolgenden Beschichtungsvorgar.?: zwisehen einer Quelle des ijeschichtungsmaterials und einem umlaufenden oder sich linear bewegenden Trägerkörper beschränkt. Lie Hauptsächliche Scnwierii^rkeit bei der Beschichtung des Trägei'köroers, welcner sicn drent, besteht in der Bildung von Fehlern in der Beschicntung, beispielsweise von Ausscheidungen in den i.orngrenzen, wobei es sich um intermetallisch Verbindungen von Eisen und Aluminium handeln kann, welcne die unerwünschte Eigenschaft hauen, daß sie den uChmelzOunkx der Beschichtung herabsetzen und zusätzlich die V.iderstanasfi-xisrkeit s-esenüber Oxydation an dem büscnichteten 'Jrägerkörper vermindern. 3in Verfahren zur Vermeidung solcner Ausscneidüngen zwischen den Lonu-reazen und damit zur Vermeidung unerwünschter Erscheinungen läßt sich der Uo-Patenxscnrift "< b^6 661 entnehmen.

"Jureη die Erfindung soll die Aufgabe gelost werden, Legierunesscnichten durcn Vakuumaufdampfen in solcher '.'.'eise auf Trägerkörper aufbringen zu können, daß die Temperatur- und Korrosionsbestindiciieit aer Trägerkärcer ernöiit wird und die Bildung von Fehlern in der aufgebrachten Schicht, beispielsweise Ausscheidungen zwischen den Korngrenzen, vermieden wird.

Bei einem Verfahren zum Vakuumaufdampfen von Legierungsschichten auf Trägerkürrer, bei welchem dieser in eine Vakuumkammer gebraeui -.vira, i:i v;elcher eine sicn bewegende Eampfwolke des besc^ichtungsmateriales erzeugt wird, kann eine Lo-SUU-' der gestellten Aufgabe erfindungsgemaß dadurch erreicht weraen, daß zur Verhinderung von Ausscheidungen zwiscnen den Korngrenzen- der Trägerkcrper mit dar Dampfwolke umgeben und

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darin mit einer Drehzahl von 1/6 Umdrehungen je Minute bis 15 Umdrehungen je Minute um seine Längsachse gedreht wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann auf Superlegierungen auf Nickelbasis und Kobaltbasis angewendet werden. Durch die Erfindung werden Ausscheidungen zwischen den Korngrenzen und andere Fehler der Beschichtung, welche die Temperaturfestigkeit und die Widerstandsfähigkeit gegen Oxydation vermindern wurden, verhindert.

Bei einer praktischen Ausführungsform wird ein Trägerkörper in eine Vakuumkammer gebracht und eine Quelle des Beschichtungsmaterials wird in bestimmtem Abstand von dem Trägerkörper in der Vakuumkammer angeordnet. Durch Einsatz einen Elektronenkanone wird eine Dampfwolke erzeugt, die zu dem Trägerkörper wandert und die Ablagerung einer Beschichtung auf dem Trägerkörper bewirkt. Bei dem Trägerkörper oder Substrat, welches beschichtet werden soll, handelt es sich um einen Gegenstand, auf welchen die Beschichtung allseitig aufgebracht werden soll, weshalb der Trägerkörper während des Beschichtungsvorganges gedreht wird, um seine sämtlichen Oberflächen in die Sichtlinie von der Beschichtungsmaterialquelle her zu bringen.

■ Erfindungsgemäß wurde herausgefunden, daß es beim Aufbringen einer Beschichtung auf einen sich drehenden Trägerkörper von außerordentlicher Wichtigkeit ist, die Zeit,während welcher der Trägerkörper der Dampfwolke ausgesetzt ist oder die Drehgeschwindigkeit genauestens zu steuern. Es konnte festgestellt werden, daß eine kritische Drehgeschwindigkeit des Trägerkörpers bei 15 Umdrehungen je Minute oder 90 je Sekunde bezüglich einer Winkeldrehung liegt, da bei jeder Geschwindigkeit oberhalb 15 Umdrehungen je Minute unerwünschte Ausscheidungen zwischen den Korngrenzen entstehen. Die minimale Drehgeschwindigkeit bei der Beschichtung beträgt etwa 1° je Sekunde Winkeldrehung, wobei eine zufriedenstellende Schicht erzeugt werden kann. Dies bedeutet eine Zeitdauer von 90 Sekunden für eine Drehung von 90° , was etwa dem Teil der Drehung des Trä-

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gerkörners entspricht, auf welchem sich jeder Punkt der Trägerkörperoberfläche der Quelle des Beschichtungsinaterials gegenüber befunden hat. Crfindungsgemäß wird also die Zeit, während welcher der Trägerkörper der Dampfwolke ausgesetzt ist, auf eine Lauer zwischen 1,0 Sekunden fur die maximale kritische Drehzahl und 1,5 Minuten für die minimale Drehzahl beschränkt. Kein Teil der Fläche des Trägerkörpers wird also der Dampfwolke für eine Dauer außerhalb des genannten Zeitbereiches ausgesetzt . .

3in Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die anliegende Zeichnung näher erläutert. Es stellen dar:

Figur 1 einen schematischen Querschnitt durch eine Vakuum-Aufdampfanlage zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und

Figuren 2 bis 4 mikroskopische Aufnanmen zur Darstellung der Qualität der Beschichtung bei verschiedenen Drehgeschwindigkeiten.

Gemäß Figur 1 weist die Vakuum-Aufdampfanlage eine Vakuumkammer 10 auf. Diese besitzt einen Auslaß 12, der an eine übliche Vakuumpumpe angeschlossen ist. Die in der Zeichnung nicht dargestellte Vakuumpumpe ist so ausgelegt, daß sie eine rasche und kontinuierliche Evakuierung der Vakuumkammer 10 ermöglicht.

Innerhalb der Vakuumkammer 10 befindet sich ein Elektronenstrahl-Erzeugungssystem 14, welches die Aufgabe hat, einen Barren ein^s Einsatzmaterials oder eines Beschichtiuigsmaterials 16 zu verdampfen und auf diese Weise eine Dampfwolke des Beschichtungsmaterials zu erzeugen, welche durch die gestrichelten Linien 17 angedeutet ist. Nahe dem Elektronenstrahl-Erzeugungssystem 14 sind gebräuchliche Magnet-Ablenk-Polschuhe 18 angeordnet, um den Elektronenstrahl auf den Barren 16 hinzulenken. Letzterer ist verschiebbar durch die Bodenwandung der Vakuumkammer 10 geführt und findet mit seinem oberen Ende

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in einem ringförmigen, w&ssei gekühl tea Tiegel 20 Aufnahme. Während des Betriebes wird der Barren 16 normalerweise kontinuierlich nach aufwärts über eine hitzebeständige Vakuumdichtung 22 der Bodenwandung der Vakuumkammer 10 hindurch in den Tiegel • 20 gefördert. Die Aufwärtsgeschwindigkeit des Barrens 16 wird über den Antrieb 24 η bestimmter Weise reguliert. Auf diese Weise kann an der Oberseite des Barrens 16 eine konstante Höhe des Schmelzbades 28 aufrecht erhalten werden, so daß der Elektronenstrahl nur auf die Schmelzbadoberfläche auftrifft.

Der Trägerkörper 26, welcher mit einer Beschichtung versehen werdnn soll, hat hier die Form einer Gasturbinenschaufel oder einer Leitschaufel, welche zu ihrer Längsacnse unsymmetrisch ist und eine vordere Kante sowie eine ablaufende Kante und dazwischenliegende Tragflügelflächen besitzt. Der Trägerkörper 26 befindet sich in bestimmtem Abstand ooerhalb des Schmelzbades und wird in der Vakuumkammer 10 mittels einer Halterung und eines Antriebs 30 gehaltert und kann um die Längsachse 32 gedreht werden . Die Halterung und der Antrieb 30 gestatten also den Trägerkörper 26 in Umdrehung zu versetzen und sobald die Dampfwolke innerhalb der Vakuumkammer 10 erzeugt ist, kann durch Drehen des Trägerkörpers 26 vermittels des Antriebs 30 auf allen Seiten des Trägerkörpers 26 eine Beschichtung aufgebracht werden. Die Notwendigkeit oder Zweckmässigkeit der Ablagerung einer Beschichtung auf allen Seiten eines Trägerkörpers in Form einer Gasturbinenschaufel ergibt sich deutlich aus der Tatsache, daß zwar die stärkste Korrosion oder Oxydation an der vorderen und hinteren Schaufelkante auftritt; , daß aber auch die übrigen Flächen der Schaufel denselben korrodierenden und oxydierenden Gasen ausgesetzt sind.

Figur 2 zeigt die Wirkung eines Drehens des Trägerkörpers mit einer Geschwindigkeit von zwei Umdrehungen .je Minute, wobei sich eine gute und in vollem Maße brauchbare Beschichtung ergab. Figur 3 zeigt eine Beschichtung, die bei einer Drehgeschwindigkeit von 10 Umdrehungen je Minute aufgebracht ist und diese Beschichtung ist zwar nicht so gut wie diejenige, welche bei einer Drehzahl von 2 Umdrehungen je Minute erzielt

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wird, jedoch erfüllt sie den angestrebten Zweck noch vollständig. Bei dem Versuch nach Figur 4 hingegen betrug die Drehgeschwindig .eit 20 Umdrehungen je Minute und die dabei auftretenden Fehler in der Beschichtung machen diese unbrauchbar. Die Versuche stimmen also mit den oben angegebenen Grenzen für die Drehgeschwindigkeit überein. Die scnwarzen Bereiche in den Abbildungen zeigen Fehler in der Beschichtung.

Wird auf einen Trägerkö'rper eine Bescnichtung aufgebracht, wobei der Trägerkörper während des Aufdampfens gedreht wird, so zeigt es sich, daß die Drehgeschwindigkeit außerordentlich großen Einfluß auf das Ergebnis hat. Tatsächlich zeigte sichi, daß dann, wenn irgendeine Seite des Trägerkörpers der Dampfwolke bei ganztägigem Umlauf für eine geringere Zeit als 0,1 Sekunde ausgesetzt war ( oder mit mehr als 15 Umdrehungen je Minute umlief), sich Fehler, beispielsweise Ausscheidungen zwischen den Korngrenzen, in dem auf den Trägerkörper aufgebrachten Belag bildeten. Im einzelnen entstehen dabei an den Korngrenzen der aufgebrachten Beschichtung Bereiche oder Tasciien, welche einen hohen Aluminiumgehalt besitzen, der zu intermetallischen Eisen-Aluminium-Verbindungen f'ünrt. Diese intermetallische Verbindung hat einen nachteiligen Einfluß auf die Schmelztemperatur und die Widerstandsfähigkeit gegen Oxydation an dem beschichteten Trägerkörper. Die obere Zeitirrenze des Aussetzens irgendeiner Trägerkörper-Oberfläche gegenüber der L'ampfwolke beträgt etwa 1,5 Minuten, was einer minimalen Drehgeschwindigkeit von 1° je Sekunde oder 1/6 Umdrehungen _tie Minute entspricht. Diese Drehgeschwindigkeit ermöglicht es, eine Beschichtung über die gesamte, zu beschichtende Oberfläche hinweg mit genügender Geschwindigkeit aufzubringen, wobei sich eine gute Qualität der Beschichtung über die gesamte Oberfläche des Trägerkorpers hin einstellt. Wie oben bereits festgestellt, wird eine Beschichtung hoher Qualität bei einer Drehgeschwindigkeit von 2 Umdrehungen je Minute erzielt und vermutlich sind auch Beschichtungen, welche bei Drehgeschwindigkeiten unterLaib 1/6 Umdrehungen je Minute Hergestellt werden, noch brauchbar.

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Gemäß dem hier beschriebenen, bevorzugten Ausführungsbeispiel kann der Trägericörper 26 um seine Längsachse mittels des Antriebs 30 kontinuierlich mit einer Drehzahl von 1/6 Umdrehungen je Minute bis 15 Umdrehungen je Minute oder mit einer Winkelgesehwindigkeit von 1° je Sekunde bis höchstens 90° je Sekunde gedreht werden. Dadurch, daß die Drehzahl innerhalb der angegebenen, kritischen Grenzen gehalten wird, kann die BMung intermetallischer Verbindungen oder Ausscheidungen an den Korngrenzen im wesentlichen vermieden werden und ein dauerhafter Belag hoher Qualität wird in der gewünschten chemischen Zusammensetzung auf dem Trägerkörper abgelagert. Eine Drehung des Trägerkörpers mit einer Geschwindigkeit oberhalb 90° je Sekunde bewirkt die zuvor erwähnten Fehlerbildungen. Es sei bemerkt, daß die herzustellenden Schichten vorzugsweise verhältnismäßig dick sind und beispielsweise bis zu 0,127 mm betragen. Für die Erzielung solcher Dicken ist eine verhältnismäßig große Behandlungszeit erforderlich.

Die niedrige Drehzahl an der unteren Grenze des angegebenen Bereiches ermöglicht ein rasches Ablagern der gewünschten Beschichtung über die gesamte Oberfläche des Trägerkörpers oder der Turbinenschaufel hin,ohne daß Fehler aufgrund von Ausscheidungen auftreten, wobei ferner eine bestimmte, gewünschte Verteilung der Schichtdicke erreicht werden kann, da an der Vorderkante und der Hinterkante jeweils größere Schichtdicken erwünscht sind, "da hier auch größere Korrosionswirkungen auftreten. Die Auswahl jeweils geeigneter Drehgeschwindigkeiten innerhalb des oben angegebenen Bereiches ermöglicht eine Regulierung der jeweils einzuhaltenden Schichtdicke an den verschiedenen Teilen des Trägerkörpers oder beispielsweise der Turbinenschaufel, da während des Drehens die Vorderkante und die Hinterkante sich offenbar stärker an die Dampfquelle annähern als die dazwischenliegenden Flächen. Die gewählte Orientierung der Drehachse des Turbinenschaufel-Trägerkörpers erweist sich hier als besonders vorteilhaft.

Außerordentlich gute Ergebnisse bezüglich der Vermeidung von Ausscheidungen zwischen den Korngrenzen wurden bei einem

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bevorzugten Ausführungsbeispiel erzielt, bei welchem die Drehzahl des Trägerkörpers 26 im Bereich zwischen 3 Umdrehungen je Minute und 7 Umdrehungen je Minute gehalten wurde. In diesem Bereich ergaben sich Beschichtungen, welche frei von Fehlern der oben genannten Art waren und eine außerordentlich genaue chemische Zusammensetzung besaßen. Das Korngefüge und die Haftung am Trägerkörper waren ausgezeichnet.

Für die Ausübung des erfindungsgemäßen Verfahrens eignen sich zwei Arten von Legierungswerkstoffen für die Beschichtung besonders gut. Es handelt sich um die sogenannten FeCrAlY-Legierungen mit einer Zusammensetzung von im wesentlichen 20 bis 50 Gewichtsprozenten Chrom, 10-20 Gewichtsprozenten Aluminium, 0,3 bis 2,0 Gewichtsprozenten aus der Gruppe von Elementen, welche Yttrium und Seltenerden-Metalle enthalten, Rest Eisen. Weiter eignen sich ausgezeichnet die sogenannten CoCrAlY-Legierungen, welche im wesentlichen 15-40 Gewichtsprozent Chrom, 10-20 Gewichtsprozent Aluminium, 0,1 bis 1,0 Gewichtsprozent eines Stoffes aus der Gruppe, welche Yttrium und die Seltenerden-Metalle enthält, sowie den Rest Kobalt enthülsen.

Bei der hier beispielsweise beschriebenen und gezeigten Vakuum-Aufdampfanlage ist nur ein einziger Trägerkörper dargestellt. Es versteht sich aber, daß auch menr als ein Trägerkörper gleichzeitig beschichtet werden kann. Um in einem solchen Falle eine Ungleichförmigkeit der Beschichtung zwischen den einzelnen Trägerkörpern aus einer Vielzahl solcher Trägerkörper zu vermeiden, sind die Trägerkörper normalerweise auf einer Ebene gleicher Dampfdichte oder annähernd auf einem Bogen angeordnet, welcher einen Bereich konstante!¹ Dampfkonzentration beschreibt.Die wenigen Teile, welche näher an dem Lot durch den Mittelpunkt des Schmelzbades gelegen sind, haben etwas größere Entfernung von der Schmelzbadoberfläche als diejenigen Teile, die im Winkel zu dem genannten Lot gelegen sind. Sowonl bei Beschichtung eines einzelnen Teiles als auch bei Beschichtung einer Vielzahl von Teilen wird jedoch darauf geachtet, daß jeder Trägerkörper so nah wie mög-

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lieh an der Scnmelzbadoberflacl'.e gelegen ist, um die maximale Wirksamkeit der Beschichtung zu erhalten, jedocn von der Schmelzbadoberfläche noch genügenden Abstand hat, um eine Verunreinigung der Beshichtung durch Spritzer aus dem Schmelzbad zu vermeiden. Die Höhe der Trägerkörper schwankt zwischen den einzelnen Anlagen, doch beträgt sie bei einem Schmelzbaddurchmesser von etwa 5»8 cm und einer Ablagerungsgeschwindigkeit von etwa 7,62'10~3 mm je Minute für eine PeCrAlY-Legierung als Beschichtungsmaterial im Mittel zweckmäßig etwa
25,4 cm. Wie bereits oben angedeutet, wird unter diesen Umständen bei Trägerkörpern in Form von Turbinenschaufeln an der
vorderen und hinteren Kante bereits eine dickere Beschichtung erreicht.

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Claims

Pa tentansprüohe.

Verfariren zum Vakuumaui'damOfen von Legierungsschichten auf Trägerkörper, bei welchem dieser in eine Vakuumkammer gebracht wird, in welcher eine sich bewegende Dampfwolke des Beschichtungsmaterials erzeugt wird, dadurch gekennzeicnnet, daß zur Vermeidung von Ausscheidungen zwischen den Korngrenzen der Trägerkörper mit der Barapfwolke umgeben und darin mit einer Drehzahl von 1/6 bis 15 Umdrehungen «je Minute um seine Längsachse gedreht wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die sich bewegende Dampfwolke des .Beschichtungsmaterials durch Verdampfung mittels !elektronenstrahl erzeugt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die maximale Drehzahl auf 6 Umdrehungen je Minute beschränkt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprücne 1 bis 3 zur Ablagerung einer oxydations- und korrosionsbeständigen Legierungsbeschichtung auf einem TrägerkörOer aus einer Hocntemperaturlegierung auf Nickelbasis oder Lobaltbasis, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb der Vakuumkammer in einen als Quelle für den Dampf des Beschichtungsmaterials dienenden Tiegels eine Legierung auf Eisenbasis eingebracht wird, welche etwa 20 Gewichtsprozent bis 50 Gewichtsprozent Chrom, 10 Gewichtsprozent bis 20 Gewichtsprozent Aluminium und 0,03 Gewichtsprozent bis 2 Gewichtscrozent Yttrium enthält.

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