DE3246303C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufbringen eines keramischen Belages auf ein Metallsubstrat, insbesondere eines solchen Belags, dessen Zusammensetzung allmählich stufenweise von einer metallischen in eine keramische übergeht. Sie betrifft ferner die Verwendung des erhaltenen Verfahrensprodukts als äußere Luftdichtung eines Gasturbinentriebwerks.

Die Grundgedanken wurden in der Gasturbinenindustrie zur Verwendung bei der Herstellung von äußeren Luftdichtungen der Turbinen entwickelt, sie sind jedoch in weitem Rahmen sowohl auf diesem Fachgebiet als auch auf anderen anwendbar. In modernen Gasturbinentriebwerken haben die Gase des Arbeitsmediums Temperaturen über 1093°C und werden über Reihen von Turbinenschaufeln expandiert, um Energie aus dem strömenden Medium abzuziehen. Ein als äußere Luftdichtung bezeichneter Kranz umgibt jede Reihe von Turbinenschaufeln, um ein Übertreten von Arbeitsgasen über die Schaufelspitzen zu verhindern.

Die abgestuften keramischen Beläge und Verfahren zu ihrer Aufbringung, wie nachstehend beschrieben, wurden speziell für die Anwendung bei äußeren Luftdichtungen von Turbinen entwickelt. Dauerhafte Strukturen, deren verläßlicher Langzeiteinsatz in der feindlichen Turbinenumgebung möglich ist, wurden angestrebt. Spezielle Erfordernisse sind hohe Temperaturbeständigkeit und gute Beständigkeit gegen thermischen Schock bzw. gegen Temperaturänderungen. Zusätzlich muß das Dichtungsmaterial eine angemessene Oberflächenverschleißbarkeit aufweisen, um einen zerstörerischen Eingriff zu vermeiden, wenn die Rotorschaufeln mit der umgebenden Dichtung in reibende Berührung treten

Die US-Patentschriften 30 91 548, 38 17 719, 38 79 831, 39 11 891, 39 18 925, 39 75 165 und 41 09 031 sowie die DE-OS 30 38 416 sind repräsentativ für bekannte, bei keramisch verkleideten Dichtungen anwendbare Maßnahmen und Gestaltungen.

Wie in einigen der angegebenen Druckschriften und insbesondere näher in der US-PS 41 63 071 beschrieben wird, kann das Metallsubstrat, auf das der keramische Belag aufgebracht wird, vorgeheizt werden, um entweder Restspannungen oder die Belagdichte zu steuern. Gewöhnlich erfolgt diese Aufheizung auf eine gleichmäßige Temperatur.

Obgleich viele der Materialien und Verfahren, die in den angeführten Druckschriften beschrieben sind, vorteilhafte und auch praktisch verwendbare Produkte liefern, erscheinen diese, insbesondere für eine Verwendung in einer aggressiven Umgebung, immer noch verbesserungsbedürftig.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines schichtweise abgestuften keramischen Belags auf einem Metallsubstrat zu schaffen, bei dem auf zuverlässige Weise reproduzierbar keramische Beläge mit ausgeglichenen Restspannungen ohne Spannungsumkehrungen im Belag erhalten werden können.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren gemäß Oberbegriff von Patentanspruch 1 durch die im Kennzeichen wiedergegebene Steuerung der Substrattemperatur gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Ein wesentliches Merkmal der Erfindung ist die Steuerung der Fehlanpassung thermischer Spannungen. Die Steuerung der Substrattemperatur während des Beschichtungsvorgangs erzeugt eine Temperaturcharakteristik in dem beschichteten Teil, bei der das Material innerhalb des Teils im wesentlichen spannungsfrei ist. Die Steuerung der Substrattemperatur nicht nur bei jeder aufeinanderfolgenden Schicht sondern auch während der Abscheidung der gleichmäßig zusammengesetzten Schicht selbst, führt zu einer bevorzugten Verteilung der Restspannungen durch die Schichten hindurch.

Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Maßnahmen besteht darin, daß sichere Spannungs-Festigkeits-Verhältnisse in dem Belag erzielt werden. Es werden sichere Verhältnisse über den Bereich von Temperaturen und Temperaturgradienten hinweg erzielt, denen das Teil während seines Betriebszyklus ausgesetzt wird. Ein Ausfall des Belages wird sogar unter Temperaturbedingungen verhindert, die sich um 1093°C verändern können. Wenn das Teil anfänglich in einer Betriebsumgebung aufgeheizt wird, werden Rest-Druckspannungen in der Keramik entspannt. Eine weitere Aufheizung erzeugt thermische Zugspannungen in der Keramik, jedoch nicht mit Werten, die einen Ausfall verursachen könnten.

Die Erfindung wird im folgenden beispielsweise unter Bezugnahme auf die Zeichungen näher erläutert; es zeigt

Fig. 1 eine vereinfachte Darstellung des Verfahrens zur Beschichtung einer keramikverkleideten Dichtung eines Gasturbinentriebwerks;

Fig. 2 eine graphische Darstellung der Temperatursteuerung des Metallsubstrats, auf dem mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ein abgestufter keramischer Belag aufgebracht wird;

Fig. 3 eine graphische Darstellung der Restspannung bei Raumtemperatur, welche als Funktion der Beschichtungstiefe bei einem mit dem erfindungsgemäßen Verfahren aufgebrachten Belag dargestellt ist;

Fig. 4 eine graphische Darstellung der Charakteristik der spannungsfreien Temperatur eines mit dem erfindungsgemäßen Verfahren aufgebrachten keramischen Belages; und

Fig. 5 eine graphische Darstellung des Spannungs- Festigkeitsverhältnisses eines mit dem erfindungsgemäßen Verfahren auf eine äußere Luftdichtung einer Turbine aufgebrachten keramischen Belags, und zwar unter Triebwerksbeschleunigung auf Meereshöhenstartzustand, im Meereshöhenstartzustand und bei Verlangsamung auf Leerlaufzustand.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Aufbringung eines abgestuften keramischen Belages auf ein Metallsubstrat und die sich ergebende Struktur werden mit Bezug auf eine äußere Luftdichtung bzw. Gasdichtung 10 derjenigen Art beschrieben, die in einem Gasturbinentriebwerk verwendet wird. Das Metallsubstrat 12 ist typischerweise aus einer Legierung auf Nickelbasis hergestellt, wie der in der Gasturbinenindustrie bekannten Legierung INCONEL 713, und weist eine daran haftende Verbindungsbeschichtung 14 aus metallischem Material auf. Ein typisches Verbindungsbeschichtungsmaterial ist die Nickel-Chrom-Aluminium-Legierung, die in der Gasturbinenindustrie als METCO 443 bekannt ist.

Haftend mit der Verbindungsbeschichtung bzw. Haftbeschichtung 14 verbunden ist eine oder sind mehrere Zwischenschichten aus abgestuftem Metall/Keramik-Material mit zunehmendem Keramikanteil. Bei einer Ausführungsform mit zwei Zwischenschichten kann eine erste Zwischenschicht 16 beispielsweise eine Mischung aus 40 Gew.-% Zirkoniumoxid (ZrO₂) und 60 Gwe.-% CoCrAlY-Material sein. Das CoCrAlY-Material einer wirksamen Ausführungsform hat die nominelle Zusammensetzung: 23,0 % Chrom, 13,0 % Aluminium, 0,65 % Yttrium und als Rest im wesentlichen Kobalt. Die zweite Zwischenschicht 18 kann beispielsweise eine Mischung aus 85 Gew.-% Zirkoniumoxid (ZrO₂) und 15 Gew.-% CoCrAlY-Material sein, wobei das CoCrAlY-Material die gleiche Zusammensetzung aufweist, wie sie in der ersten Schicht benutzt wird. Bei derartigen Ausführungsformen weist jede aufeinanderfolgende Metall/Keramik-Schicht einen höheren Anteil des Keramikmaterials auf als die vorhergehende Schicht und einen geringeren Anteil an Keramikmaterial als die nachfolgend aufgebrachte Schicht.

Über die letzte Metall/Keramik-Zwischenschicht wird 100%iges Keramikmaterial, nämlich Zirkoniumoxid (ZrO₂) aufgebracht. Bei einer bevorzugten Form werden zwei Schichten der Ablagerung verwendet: eine erste Schicht 20 aus dichtem Keramikmaterial und eine zweite Schicht 22 aus poröser Keramik. In der Praxis weist die poröse Schicht eine verminderte Dichte auf und wird als Mischung aus Zirkoniumoxid (ZrO₂)-Pulvern mit 2,5 bis 10 Gew.-% Polyester aufgebracht.

Der Polyester wird nach der Abscheidung entfernt, um eine poröse keramische Fläche zurückzulassen. Es wird eine Erhitzung der äußeren Luftdichtung bei der Herstellung oder am Einsatzort während des Betriebs verwendet, um das Polyestermaterial aus der Keramik auszubacken. Prozentsätze an Polyester außerhalb des vorstehend genannten Bereichs können verwendet werden, um eine entsprechend abgewandelte Porosität zu erzeugen.

Der Zweck des keramischen Verkleidungsmaterials in einer äußeren Luftdichtungsstruktur ist ein zweifacher: einerseits zur Herstellung einer Wärmesperrschicht, die das Substrat von den heißen Gasen des Arbeitsmediums der Turbine abschirmt, denen das Substrat andernfalls ausgesetzt würde, und anderseits zur Schaffung einer verschleißbaren Dichtung, welche thermische Auslenkungen der umgebenen Rotorblätter berücksichtigt, ohne daß ein zerstörender Eingriff dazwischen stattfindet.

Während des Beschichtungsverfahrens wird die Temperatur des Substrats in einem vorbestimmten Maß gesteuert, um Restspannungs- und Belastungsmuster in der fertiggestellten Dichtung zu erzeugen. Es sind Substratheizer 24 zu diesem Zweck vorgesehen. Die Beschichtungen selbst werden durch Plasmasprühverfahren aufgebracht, wie sie in der Industrie üblich sind. Eine Plasmaspritzpistole 26, in welche die Pulver oder Mischungen von Pulvern injiziert werden, läuft quer in einem sich wiederholenden Muster über das Substrat, während die Beschichtung mit der gewünschten Dicke bzw. Tiefe aufgebaut wird. Ein Plasmastrom 28 trägt die Beschichtungspulver 30 zur Oberfläche des zu beschichtenden Gegenstandes. Die Beschichtungsmischungen werden in einem kontinuierlichen Vorgang vorzugsweise verändert. Veränderungen der Substrattemperatur werden so rasch wie möglich in Übergangszonen unmittelbar vor oder während oder unmittelbar nach jeder Pulerzzusammensetzungsveränderung vorgenommen.

Der Substrattemperaturzyklus für die Beschichtung des vorstehend beschriebenen Bauteils ist in der graphischen Darstellung der Fig. 2 gezeigt. Die Beschichtungslagen mit den Anfangs- und Endtemperaturen des Substrats bei der Ablagerung sind wie folgt

Wie sich sowohl aus der vorstehenden Tabelle als auch aus der Fig. 2 ergibt, wird jede Zwischenschicht aus Metall/Keramik- Zusammensetzung unter verschiedenen Bedingungen der Substrattemperatur aufgebracht, wobei eine Anfangstemperatur höher ist als die Temperatur bei der Endabscheidung der vorhergehenden Schicht und die Endtemperatur kleiner ist oder gleich der Temperatur, bei der die nachfolgende Schicht anfänglich abgelagert wird. Die Substrattemperatur bei der Endabscheidung jeder Zwischenschicht ist auch geringer als die Substrattemperatur bei der Anfangsabscheidung dieser Zwischenschicht. Stufenweise Veränderungen der Temperatur an der Zwischenfläche zwischen unterschiedlichen Zusammensetzungen sind in gleicher Weise erwünscht. Praktische Erwägungen bei einem kontinuierlichen Beschichtungsprozeß lassen jedoch eine Übergangszone geraten erscheinen, wie sie in der Nähe der Zusammensetzungsveränderung zu erkennen ist.

Die von selbst vorhandenen unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen allen Keramikmaterialien und allen Metallsubstraten werden dadurch berücksichtigt, daß die Beschichtungen bzw. Beläge abgestuft werden, sowie dadurch, daß Kompressionsspannungen während der Schichtaufbringung herbeigeführt werden. Die graphische Darstellung der kumulativen Spannung in Fig. 3 ist kennzeichned für die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Teile. Die graphische Darstellung zeigt eine zunehmende Kompressionsbelastung gemessen an der Rückseite des Substrats, während schrittweise Veränderungen der Beschichtungstiefe herbeigeführt werden. Die weich ansteigende Spannung zeigt das Fehlen einer ernsten Diskontinuität bei irgendeiner Beschichtungstiefe an. Falls Spannungsumkehrungen auftreten würden, würden sie als Spitzen oder Täler im Verlauf der Kurve erscheinen.

Wie vorstehend bereits erläutert, ist der Belag derart gestaltet, daß er bei einer vorgewählten Temperatur spannungsfreie Eigenschaften aufweist. Die spannungsfreie Temperatur liegt zwischen dem kalten Zustand und der maximalen Temperatur. Die Fig. 4 zeigt eine im wesentlichen spannungsfreie Struktur bei einer Temperatur von ungefähr 649°C. Spannungswerte bei verschiedenen Beschichtungstiefen in den Materialien unterschiedlicher Zusammensetzung sind aufgezeichnet. Wenn die Temperatur der Struktur von der spannungsfreien Temperatur aus vermindert wird, neigt die Metallsubstrat-Seite der Struktur zur Zugspannung hin und die Keramikseite zur Druckspannung. Wenn die Temperatur der Struktur über die spannungsfreie Temperatur erhöht wird, neigt die Metallsubstratseite zur Druckspannung hin und die Keramikseite zur Zugspannung.

Die Fig. 5 ist eine graphische Darstellung, welche die Spannungs-Festigkeitsverhältnisse über den Belagquerschnitt hinweg als Funktion des Triebwerkzustandes zeigt. Die dargestellten Bedingungen sind Beschleunigungen auf Meereshöhen- Startzustand (A); stationärer Meereshöhen-Startzustand (B); und Verlangsamung vom Meereshöhen-Startzustand aus zum Leerlauf hin (C). Unter allen Bedingungen bleibt das Spannungs-Festigkeitsverhältnis in jeder Materialschicht gut unter einem Verhältnis von 1,0 über dem ein Ausfall erwartet wird. Eine übermäßige Belastung durch differentielle Spannungen zwischen den Schichten ist vermieden. Die Auswirkung der Substrattemperatursteuerung und der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen den Materialien der aufeinanderfolgenden Schichten sind einander angeglichen, um dieses Ergebnis zu erzielen.

Claims (7)

1. Verfahren zum Aufbringen eines keramischen Belages auf einem Metallsubstrat, bei dem eine oder mehrere Zwischenschichten aus einem gemischten metallischen/keramischen Material mit abgestufter Zusammensetzung zwischen dem Metallsubstrat und dem ggf. ebenfalls mehrschichtigen keramischen Belag aufgebracht werden, dadurch gekennzeichnet,
daß die Temperatur des Metallsubstrats während der Ablagerungsschritte der Zwischenschichten und des keramischen Belags derart gesteuert wird,
daß die Temperatur des Substrats bei der Anfangsabscheidung des Materials jeder Zwischenschicht größer ist oder gleich ist der Temperatur des Substrats bei der Endabscheidung des Materials der vorhergehenden Schicht,
daß die Temperatur des Substrats bei der Endabscheidung des Materials der Zwischenschicht geringer ist als die Temperatur bei der Anfangsabscheidung dieser Zwischenschicht und
daß sie außerdem kleiner oder gleich der Temperatur des Substrats ist, bei der die nachfolgende Schicht aufgebracht wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Keramikteil auf die abgeschiedene(n) Zwischenschicht(en) bei einer Substrattemperatur, die größer ist als oder gleich ist der Temperatur, bei der die Endabscheidung des Zwischenschicht-Materials erfolgte, aufgebracht wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Keramikschicht in einer Vielzahl von Abscheidungen aufgebracht wird, die mit abnehmender Metallsubstrattemperatur vorgenommen werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine metallische Haftbeschichtung auf dem Metallsubstrat abgeschieden wird, bevor die Anfangsabscheidung des die Zwischenschicht(en) bildenden metallischen und keramischen Materials aufgebracht wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die keramische Schicht als Doppelschicht aus einer Schicht mit einer ersten Dichte und einer zweiten Schicht mit einer Dichte, die kleiner ist als die der ersten Schicht, aufgebracht wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das die metallisch/keramischen Zwischenschichten und die keramische Schicht bildende Material in einem kontinuierlichen Beschichtungsvorgang aufgebracht wird und daß die Substrattemperatur bei Veränderungen der Materialzusammensetzung während des kontinuierlichen Verfahrens in Übergangszonen kurzer Dauer verändert wird.

7. Verwendung eines nach einem Verfahren gemäß den Ansprüchen 1 bis 6 hergestellten Metallsubstrats mit einem über Zwischenschichten aufgebrachten keramischen Belag als äußere Luftdichtung eines Gasturbinentriebwerks.