DE3015867C2

DE3015867C2 -

Info

Publication number: DE3015867C2
Application number: DE3015867A
Authority: DE
Inventors: Charles Carter Stuart Fla. Us Mccomas; Larry Steven West Palm Beach Fla. Us Sokol
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 1979-05-11
Filing date: 1980-04-24
Publication date: 1991-11-14
Also published as: IT8021734A0; BE882592A; KR830001651B1; FR2456079A1; FR2456079B1; SE445452B; JPS6037788B2; CA1162796A; AU530303B2; IL59849A; SE8003254L; ES491380A0; NO156328C; AU5717680A; US4273824A; ES8104753A1; IT1131119B; DE3015867A1; GB2049484B; KR830002660A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren der im Oberbe griff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art.

Ein solches Verfahren, auf das weiter unten noch näher eingegangen wird, ist aus der DE-OS 27 15 290 bekannt.

Keramikmaterialien sind als Wärmeisolatoren in Gasturbinen allgemein bekannt und werden gegenwärtig als Überzugs materialien für metallische Substrate in Umgebungen be nutzt, in denen hohe Temperaturen auftreten. Diese Keramik materialien verhindern eine unzulässige Verschlechterung von metallischen Formteilen, an denen sie haften. Metall und Keramikmaterialien sind jedoch nicht völlig kompatibel, da die große Differenz in den Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen den beiden Ma terialien das Haften der Keramik an dem Metall schwierig macht. Darüber hinaus verursacht die spätere Temperaturwech selbeanspruchung des fertigen Teils in der vorgesehenen Um gebung häufig eine Rißbildung und ein Abplatzen der Keramik von dem Metall. Diese Probleme sind besonders groß, wenn Überzugstiefen verlangt werden, die wenige Tausendstel eines Zentimeters übersteigen.

Ein überwiegender Teil des Standes der Technik auf diesem Ge biet wird in der Gasturbinentriebwerksindustrie entwickelt, ob gleich das Konzept breitere Verwendungsmöglichkeiten hat. Bei spiele für Bauteile, die in der Leistungsfähigkeit und in der Dauerhaftigkeit durch das Vorsehen von Keramikmaterialien ver bessert werden können, sind Brennkammern, Flügelprofilteile (d. h. Schaufeln) und äußere Luftdichtungen.

Insbesondere die Konstruktion von äußeren Luftdichtungen hat im Stand der Technik beträchtliche Aufmerksamkeit erfahren, und es werden ständig wirksame Ausführungsformen solcher Dichtungen gesucht. In einem Axialgasturbinentriebwerk erstrecken sich Kränze von Laufschaufeln sowohl in dem Verdichtungs- als auch in dem Turbinenabschnitt des Triebwerks an der Rotoranordnung radial nach außen über den Strömungsweg der Arbeitsmediumgase. Eine äußere Luftdichtung, die an der Statoranordnung befestigt ist, umgibt die Spitzen der Laufschaufeln jedes Laufschaufel kranzes, um das Lecken von Arbeitsmediumgasen über den Spitzen der Laufschaufeln zu blockieren. Jede äußere Luftdichtung wird herkömmlicherweise aus mehreren Dichtungssegmenten aufgebaut, die Ende an Ende um das Triebwerk herum angeordnet sind. Die den Spitzen gegenüberliegenden Flächen der Segmente werden je weils üblicherweise aus einem abschleifbaren Material herge stellt, das engtolerierte Anfangsbedingungen ohne zerstöreri sche Berührung mit den Laufschaufelspitzen bei Übergangszustän den ermöglicht. Beispiele für abschleifbare Dichtungsstege und für Verfahren zu ihrer Herstellung finden sich in den US-PS 38 17 719, 38 79 831, 39 18 925 und 39 36 656.

Trotz der Verfügbarkeit der vorgenannten Materialien und Kon struktionen suchen Hersteller von Gasturbinenteilen weiterhin nach noch besseren abschleifbaren Materialkonstruktionen, die eine ausreichende Dauerhaftigkeit in aggressiven Umgebungen haben. Insbesondere innerhalb der Turbinenabschnitte von Trieb werken, in denen Dichtungsmaterialien örtlichen Temperaturen ausgesetzt sind, welche 1371°C übersteigen können, ist die Auswahl von Materialien und Gebilden, die eine ausreichende Dauerhaftigkeit haben, begrenzt. Mit Keramik bedeckte Dichtun gen sind für Turbinenteile von Hauptinteresse.

Ein mit Keramikmaterial bedecktes Dichtungsgebilde, das Differenzen in den Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen dem Keramikma terial und einem darunterliegenden metallischen Substrat aufnehmen kann, ist aus der US-PS 41 09 031 bekannt. Abgestufte Material schichten, in denen die relativen Mengen an Metall und Keramik material von 100% Metall an der Metallgrenzfläche bis 100% Keramikmaterial an der Keramikmaterialgrenzfläche verändert werden, werden auf das Substrat aufgebracht.

Ein weiterer Typ eines mit Keramikmaterial bedeckten Gebildes ist in einer Druckschrift erläutert, die auf der gemeinsamen Herbsttagung im Jahre 1976 der Basic Science, Electronics and Nuclear Divisions der American Ceramic Society ausgegeben worden ist und den Ti tel "Bonding Ceramic Materials to Metallic Substrates for High- Temperature, Low-Weight Applications" trägt, sowie in dem NASA Technical Memorandum, NASA TM-73 852, das den Titel "Prelimina ry Study of Cyclic Thermal Shock Resistance of Plasma-Sprayed Zirconium Oxide Turbine Outer Air Seal Shrouds" trägt. Bei den daraus bekannten Systemen verbindet eine Matte aus gesinterten Drähten eine Keramikschicht mit einem darunterliegenden metalli schen Substrat. Die Drähte bilden eine nachgiebige Schicht, die in der Lage ist, eine unterschiedliche Wärmeausdehnung zwischen dem Substrat und der Keramikschicht aufzunehmen. Bei dem aus der erstgenannten Druckschrift bekannten Gebilde wird das Keramikmaterial direkt auf die Drahtmatte aufgebracht. Bei dem aus der zweitgenannten Druckschrift bekannten Gebilde wird das Kera mikmaterial auf eine Drahtmatte über einem 0,08 mm- bis 0,13 mm dicken Ver bindungsüberzug aufgebracht.

Aus der eingangs erwähnten DE-OS 27 15 290 ist ein Stand der Technik bekannt, der nicht über den aus den beiden vorgenannten Druckschriften bekannten Stand der Technik hinausgeht. Aus der DE-OS 27 15 290 ist nicht mehr be kannt, als eine Schicht eines Keramikmaterials über ein poröses Polster in Form einer Drahtmatte mit einem metal lischen Substrat zu verbinden, wobei die Matte aus einem Material des MCrAlY-Typs bestehen kann.

Aus der DE-AS 24 60 765 ist ein Verfahren zum Aufbringen eines Dichtmaterials auf einem metallischen Träger be kannt. Dabei werden mehrere Pulverschichten aus keramischem Material und Metallpulver mit der Maßgabe aufeinander auf gebracht, daß eine Oberflächenschicht aus Metallpulver be steht, der Gehalt an Metallpulver zunehmend abnimmt und die andere Oberflächenschicht allein aus keramischem Mate rial besteht, wobei die Metallpulver aus hochtemperaturbe ständigen, chromhaltigen Superlegierungen ausgewählt werden, die Pulverschichten als wäßrige Aufschlämmung aufgebracht werden und die Gesamtheit der Schichten anschließend bei einem bestimmten Druck und bei bestimmten Temperaturen für eine bestimmte Zeit getrocknet und so das Dichtmaterial er halten wird. Dieses Dichtmaterial wird dann mit dem metal lischen Träger in Berührung gebracht und auf Temperaturen oberhalb von 1100°C erwärmt. Zum Miteinanderverbinden wird ein Löthilfsmittel eingesetzt, das auf den metallischen Träger aufgebracht wird, mit dem das Dichtmaterial verlötet werden soll.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art zum Herstellen eines Gegenstands aus einem Metall-Keramik-Verbund so zu verbes sern, daß der sich ergebende Gegenstand eine besonders gute Dauerhaftigkeit in aggressiver Umgebung, insbesondere bei ho her Temperatur hat, das Keramik material an dem Substrat besonders fest haftet und eine gute Toleranz der Wärmeausdehnungsdifferenz zwischen dem Keramikmaterial und dem Substrat vorhanden ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnen den Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Schritte gelöst.

Bei dem Verfahren nach der Erfindung wird ein metallisches, poröses Polster mit einem Material des MCrAlY-Typs impräg niert, um eine aufgerauhte Oberfläche zu schaffen, und dann wird auf diese aufgerauhte Oberfläche das Keramikmaterial aufgebracht. Ein Hauptvorteil des Verfahrens nach der Erfin dung ist, daß sich eine besonders gute Haftfestigkeit des Keramikmaterials auf dem metallischen, porösen Polster er gibt. Der Imprägnierungsüberzug aus einem Material des MCrAlY-Typs erleichtert das Haften des Keramikmaterials an dem Polster. Durch das angewandte Hochgeschwindigkeitsplasma sprühverfahren wird ein tiefes Eindringen des Überzugsmate rials in das Polster erzielt. Das Keramikmaterial kann auf das imprägnierte Polster bis zu beträchtlichen Tiefen auf gebracht werden, ohne daß es zu einem nachteiligen Ausfall des Keramikmaterials im Gebrauch des Metall-Keramik-Verbund gegenstands kommt. Die Empfindlichkeit des Keramikmaterials gegen Abblätterung von dem Substrat und Abplatzen ist gering.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung bilden den Gegen stand der Unteransprüche.

In der Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 8, in welcher das poröse, metallische Drahtpolster mit einem metallischen Substrat verbunden wird, nimmt das Polster die unterschied liche Wärmeausdehnung zwischen dem Keramikmaterial und dem metallischen Substrat auf. In Ausgestaltungen ohne ein solches metallisches Substrat bildet das Polster selbst ein Form teil mit dem Gesamtumriß einer gewünschten fertigen Fläche, auf das das Keramikmaterial aufgebracht wird.

Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgen den unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine vereinfachte perspektivische Ansicht eines festen metallischen Substrats des bei der Herstellung einer äußeren Luft dichtung verwendeten Typs,

Fig. 2 den Schritt des Verbindens eines porösen Polsters gleichmäßiger Dicke mit dem Sub strat von Fig. 1,

Fig. 3 den Schritt des Imprägnierens des porösen Polsters von Fig. 2 mit einem Material MCrAlY-Typs,

Fig. 4 den Schritt des Aufbringens eines Keramik materials auf das imprägnierte Poröse Polster von Fig. 3,

Fig. 5 die Anwendung der Erfindung bei einem Brenn kammerkeramikbauteil,

Fig. 6 die Anwendung der Erfindung bei einem mit Ke ramik bedeckten Flügelprofilteil einer Tur bine,

Fig. 7A und 7B Fotografien eines Drahtpolsters vor dem Imprägnieren mit einem Material des MCrAlY-Typs und

Fig. 8A und 8B Fotografien, die das Drahtpolster von Fig. 7 zeigen, nachdem es imprägniert worden ist.

Im folgenden wird zwar ein Verfahren unter Bezugnahme auf die Her stellung von warmfesten Bauteilen für Gasturbinentriebwerke be schrieben, das Verfahren ist jedoch überall dort anwendbar, wo das Aufbringen einer Schicht aus Keramikmaterial erwünscht ist.

Ein festes metallisches Substrat 10 ist in Fig. 1 ge zeigt. Das Substrat hat eine gekrümmte Fläche 12, die zu dem Gesamtumriß geformt ist, welchen das Keramikmaterial auf dem fertigen Gegenstand haben soll. In Fig. 2 ist ein poröses metalli sches Polster 14 aus einem Material, das einen niedrigen Ela stizitätsmodul hat, wie das dargestellte Drahtgeflechtpolster, mit dem Substrat verbunden. In Fig. 3 ist das einen nie drigen Elastizitätsmodul aufweisende Polster 14 mit einem Imprägnie rungsüberzug 16 aus einer Legierung versehen worden, die Chrom und Aluminium und wenigstens ein aus der Gruppe Eisen, Kobalt und Nickel ausgewähltes Element enthält. Wahlweise kann die Legierung ein oder mehrere Elemente enthalten, die aus der Gruppe von Yttrium und den Seltenerdelementen ausgewählt wer den. Solche Legierungen, die Yttrium enthalten, sind in der Industrie als "MCrAlY"-Materialien bekannt, wobei die Bezeich nung "M" wenigstens eines der Elemente aus der aus Eisen, Ko balt und Nickel bestehenden Gruppe bedeutet. In Fig. 4 ist ein Keramikmaterial 18 auf den Imprägnierungsüberzug aufgebracht worden.

In einer Ausführungsform, nämlich der des äußeren Luftdichtungs gebildes, das in den Fig. 1-4 gezeigt ist, wurde das poröse Polster aus einem Eisenbasislegierungsdraht (FeCrAlY) herge stellt, der einen Durchmesser von 0,13 bis 0,15 mm hatte. Das Polster wurde bis zu einer Dichte von 35% Drahtmaterial zusam mengedrückt und gesintert, um eine wenigstens teilweise metal lurgische Verbindung zwischen benachbarten Drähten herzustellen. Eine Dicke des fertigen Polsters von 1,52 mm wurde benutzt. Polsterdicken in dem Bereich von 0,76 bis 5,1 mm sind für die meisten Verwendungszwecke zu bevorzugen. Geringere Dicken dürf ten zur Aufnahme der Wärmeausdehnung nicht ausreichen, während größere Dicken kein ausreichend starres Gebilde ergeben dürf ten. Das Polster wurde durch Hartlöten mit dem Substrat 10 durch herkömmliche Techniken verbunden, und es zeigte sich, daß die Verbindung wirksam war.

In diesem Gebilde wurde ein Imprägnierungsüberzug aus NiCrAlY- Legierungsmaterial, das aus:

14-20 Gew.-% Chrom;
11-13 Gew.-% Aluminium;
0,10-0,70 Gew.-% Yttrium; bis zu
2 Gew.-% Kobalt; und
Rest Nickel

bestand, benutzt. Der Imprägnierungsüberzug wurde mit einer Eindringtiefe, d. h. mit der Tiefe, die der Überzug hat, wenn er auf eine ebene Oberfläche aufgebracht würde, von ungefähr 0,13 mm in das Drahtpolster eingebracht. Äquivalente Überzugstiefen in dem Bereich von 0,10-0,25 mm dürften für die meisten Verwendungszwecke zu bevorzugen sein. Geringere Tiefen würden keine ausreichenden Überzüge erbringen, an der das anschließend aufgetragene Keramikmaterial haften kann, während größere Tiefen die Hohlräume zwischen den Drähten völlig füllen würden, wodurch eine unzureichend unregelmäßige Oberfläche für das Haften des Keramikmaterials zurückbliebe. Weitere geeignete Überzugsmaterialien sind beispielsweise die Nickelkobaltbasislegierung "NiCoCrAlY", die Kobaltbasislegierung "CoCrAlY" und die Eisenbasislegierung "FeCrAlY".

Das wirksame Aufbringen von Imprägnierungsmaterial ist für das hier beschriebene Verfahren kritisch. Das Imprägnierungsmaterial muß gut in das Drahtpolster eindringen und fest an den Drähten haften. Ein geeignetes Verfahren zum Aufbringen des Imprägnierungsmaterials ist in der US-PS 42 35 943 beschrieben. Bei diesem Verfahren werden Überzugsteilchen in einem Plasmastrom plastifiziert und in dem Strom auf eine Geschwindigkeit in der Größenordnung von 1220 m/s beschleunigt. Die hohe Geschwindigkeit ermöglicht den Teilchen, gut in das poröse Drahtpolster einzudringen. Gleichzeitig ist die Temperatur des ausströmenden Materials bei dem beschriebenen Plasmasprühverfahren wesentlich niedriger als die bei herkömmlichen Plasmasprühverfahren benutzte. Die benutzten niedrigeren Temperaturen verhindern ein Überhitzen der Drähte in dem Polster, so daß die Drähte nicht oxydiert werden, bevor akzeptable Überzüge aufgetragen werden können. Drahttemperaturen von weniger als 538°C für FeCrAlY-Drähte sind im allgemeinen erforderlich, um zu gewährleisten, daß keine Oxidation der Drähte erfolgt. Drahttemperaturen, die sich auf einen Bereich von 427°C-482°C beschränken, werden bevorzugt.

Fig. 7 zeigt ein Drahtpolster, das aus Drähten mit einem Durchmesser von 0,13-0,15 mm gebildet ist. Das Drahtpolster wird vor dem Aufbringen des MCrAlY-Imprägnierungsüberzugs auf eine Drahtdichte von 35% zusammengedrückt. Die Fotografien zeigen den Überzug, wie er sich bei Betrachtung mit einem Raster-Elektronenmikroskop bei 50facher und bei 200facher Vergrößerung darstellt. Die einzelnen Drähte haben eine relativ glatte Oberflächenstruktur. Fig. 8 zeigt ein Drahtpolster aus Draht mit demselben Durchmesser, das dieselbe Porosität wie das in Fig. 7 gezeigte Polster hat. Das Polster von Fig. 8 ist jedoch mit einem MCrAlY-Material imprägniert worden. Die Oberflächen der Drähte sind beträchtlich aufgerauht. Der aufgebrachte Imprägnierungsüberzug haftet gut an dem Draht und bildet eine ideale Oberfläche zur Aufnahme der Keramikschicht. Das Hochgeschwindigkeitsplasmasprühverfahren zum Aufbringen des MCrAlY-Materials bewirkt, daß das MCrAlY-Überzugsmaterial gut in das Drahtpolster eindringt. Das Verfahren mit niedrigerer Plasmatemperatur, das bei dem Aufbringen des Imprägnierungsüberzugs angewandt wird, macht eine Oxidation der Drähte vor der Ausbildung einer guten Überzugsverbindung unwahrscheinlich.

Auf das Gebilde wurde ein Keramikmaterial aus mit Yttriumoxid stabilisiertem Zirkoniumoxid, das nominell aus

80 Gew.-% Zirkoniumoxid (ZrO₂); und
20 Gew.-% Yttriumoxid (Y₂O₃)

bestand, bis zu einer Eindringtiefe von 1,52 mm aufgebracht. Tiefen in dem Bereich von 0,51-2,54 mm sind als leicht erreichbar anzusehen, und selbst größere Tiefen können erreicht werden. Unlegierte Pulver von Zirkoniumoxid und Yttriumoxid wurden bei herkömmlichen Plasmasprühgeschwindigkeiten von 244-366 m/s aufgebracht. Vorlegierte Keramikpulver können jedoch noch wirksamere Gebilde erzeugen. Weitere Keramikzusammensetzungen, die in der Industrie bekannt sind, dürften vorhersagbare Gebilde ergeben, die für ähnliche Verwendungszwecke gut geeignet sind.

Fig. 5 zeigt ein Brennkammerbauteil eines Gasturbinentriebwerks, das durch das hier beschriebene Verfahren hergestellt wird. Bei der dargestellten Brennkammer ist das Drahtpolster nicht durch eine massive Unterlage, wie sie in dem Fall der beschriebenen äußeren Luftdichtung vorhanden war, abgestützt. Das Keramikmaterial selbst wird bis zu einer Tiefe aufgebracht, die dem Brennkammerbauteil eine zufriedenstellende Steifigkeit gibt. Wie in dem Fall der beschriebenen äußeren Luftdichtung wird das Drahtpolster zuerst mit MCrAlY- Material imprägniert, damit das Keramikmaterial fest an dem Drahtpolster haften kann.

Fig. 6 zeigt ein Turbinenflügelprofilteil, das durch das beschriebene Verfahren hergestellt wird. Wie in dem Fall der beschriebenen äußeren Luftdichtung wird das Keramikmaterial auf ein Drahtpolster aufgebracht, das zuerst mit einem festen metallischen Substrat verbunden und dann mit Überzugsmaterial imprägniert worden ist. Flügelprofilteile, die um ein imprägniertes Polster herum ohne ein festes Metallsubstrat gebildet werden, können ebenfalls hergestellt werden.

Claims

1. Verfahren zum Herstellen eines Gegenstands aus einem Metall-Keramik-Verbund durch Verbinden eines metalli schen, porösen Polsters mit dem Gesamtumriß einer ge wünschten fertigen Fläche und eines Keramikmaterials, dadurch gekennzeichnet, daß das poröse Polster mit einem Material des MCrALY-Typs, wobei M wenigstens eines der Elemente aus der aus Fe, Co, Ni bestehenden Gruppe bedeutet, imprägniert wird, um eine aufgerauhte Oberfläche zu schaffen, daß der Imprägnierungsüberzug durch ein Hochgeschwindigkeitsplasmasprühverfahren mit Teilchengeschwindigkeiten von 1220 m/s und einer Eindringtiefe von 0,10 bis 0,25 mm auf das poröse Polster aufgebracht wird und daß das Keramikmaterial auf dieses imprägnierte Polster durch herkömmliche Plasmasprühverfahren aufgebracht wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Imprägnierungsmaterial mit folgender Zusammen setzung verwendet wird:
14-20 Gew.-% Chrom
11-13 Gew.-% Al
0,10-0,70 Gew.-% Y, bis zu
2 Gew.-% Co
Rest Ni

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Imprägnierungsüberzug mit einer Eindringtiefe von 0,13 mm aufgebracht wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein metallisches, poröses Polster mit einer Materialdichte von 35% verwendet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein poröses Polster aus Metalldraht verwendet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Metalldraht mit einem Durchmesser von 0,13 bis 0,15 mm verwendet wird.

7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Draht aus einer FeCrAlY-Legierung verwendet wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das poröse, metallische Drahtpolster zur Abstützung mit einem metallischen Substrat, das den Gesamtumriß einer gewünschten fertigen Fläche aufweist, verbunden wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Keramikmaterial aus 80 Gew.-% ZrO₂ und 20 Gew.-% Y₂O₃ aufgebracht wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Keramikmaterial in einer Dicke von 0,51 bis 2,54 mm aufgebracht wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Keramikmaterial in einer Dicke von 1,52 mm aufgebracht wird.