DE3785427T2

DE3785427T2 - Verschleissfeste siliziumkarbidpulver mit mehrschichtauflage.

Info

Publication number: DE3785427T2
Application number: DE8787630264T
Authority: DE
Inventors: David Arthur Condit; Harry Edwin Eaton
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: RTX Corp
Priority date: 1986-12-15
Filing date: 1987-12-14
Publication date: 1993-08-19
Anticipated expiration: 2007-12-15
Also published as: NO875191L; ES2040273T3; AU8244187A; EP0272197B1; NO175484C; NO175484B; IL84820A; NO875191D0; PT86367A; PT86367B; EP0272197A3; DE3785427D1; ZA879365B; US4741973A; JP2630790B2; EP0272197A2; SG68693G; CA1330913C; JPS63162161A; IL84820A0

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft das Überziehen von keramischen Schleifpartikeln mit Metall gemäß Patentanspruch 1 sowie ein Verfahren zum Schaffen einer Schleifschicht auf der Oberfläche eines Gegenstands gemäß Patentanspruch 9.
Insbesondere bezieht sie sich auf Siliciumcarbidschleifpartikeln, die einen mehrschichtigen Überzug haben und in einer Schleifschicht auf einer Gasturbinentriebwerkslaufschaufel besonders nützlich sind.
Gasturbinentriebwerke und andere Turbomaschinen haben Kränze von Laufschaufeln, welche sich in einem insgesamt zylindrischen Gehäuse drehen. Wenn sich die Laufschaufeln drehen, bewegen sich ihre Spitzen in enger Nähe zu der Innenwandoberfläche des Gehäuses. Zum Maximieren des Triebwerksbetriebswirkungsgrades sollte die Leckage von Gas oder anderem Arbeitsfluid zwischen den Laufschaufelspitzen und dem Gehäuse minimiert werden. Es ist seit einiger Zeit bekannt, daß das durch Laufschaufel- und Abdichtungssysteme erreicht werden kann, in welchen die Laufschaufelspitzen an einer Dichtung reiben, die an der Gehäuseinnenseite befestigt ist. Im allgemeinen wird die Laufschaufelspitze so hergestellt, daß sie härter und abschleifender als die Dichtung ist, so daß sich die Spitzen in die Dichtung während derjenigen Teile des Triebwerksbetriebszyklus, in welchen sie einander berühren, einschleifen.
Schleiflaufschaufelspitzen, welche in dem Hochtemperaturabschnitt von Gasturbinentriebwerken besonders brauchbar sind, sind in der US-A-4 249 913 von Johnson et al, betitelt "Alumina Coated Silicon Carbide Abrasive", und in der US-A- 4 610 698 von Eaton et al, betitelt "Abrasive Surface Coating Process for Superalloys", beschrieben. Gemäß der Erfindung von Johnson et al werden Siliciumcarbidschleifpartikeln mit einem mittleren Durchmesser von etwa 200 - 750 um (Mikrometer) (8 - 30 Millizoll) mit einem Metalloxid wie Aluminiumoxid überzogen und durch Pulvermetalltechniken in Nickel- oder Kobalt-Matrix-Legierungen eingebaut. Ein Pulvermetallpreßling, der bis zu etwa 45 Volumenprozent dieser keramischen Partikeln enthält, kann hergestellt werden, der dann mit der Spitze der Laufschaufel verbunden wird. Gemäß der Erfindung von Eaton et al werden mit Aluminiumoxid überzogene Siluciumcarbidschleifpartikeln, die einen Metallüberzug tragen, zuerst auf der Laufschaufelspitzenoberfläche in gegenseitigem Abstand in einer einzelnen Schicht aufgebracht und dann durch Sintern mit der Laufschaufelspitzenoberfläche durch Erhitzen auf eine hohe Temperatur verbunden. Ein Matrixmaterial wird dann über den Partikeln durch Plasmaspritzen aufgebracht. Gemäß Eaton wird der Metallüberzug auf die Partikeln durch ein Verfahren zum stromlosen Vernickeln aufgebracht.
Trotz der Vorteile, die in diesen beiden Patenten beschrieben sind, werden weitere Verbesserungen benötigt, um Schleifschichten herzustellen, die auf Laufschaufeln benutzt werden, welche in modernen Turbinentriebwerken arbeiten. Ein Bereich, auf dem eine Verbesserung angestrebt wird, betrifft Verfahren zum Steigern der Verbindungsfestigkeit zwischen den Schleifpartikeln und der Laufschaufelspitze. Wenn die Schleifschicht gemäß dem Eaton-Patent hergestellt wird, wird eine hochfeste Verbindung während des Auftragens der plasmagespritzten Matrixschicht besonders benötigt.
Die EP-A-0 254 667 beschreibt ein Verfahren zum Verbinden von keramischen Partikeln mit der Oberfläche eines metallischen Gegenstands, welcher bei erhöhten Temperaturen benutzt wird. Die Partikeln umfassen einen mehrschichtigen Überzug, der aus einer ersten Oxidschicht, die bei erhöhten Temperaturen stabil ist, und aus einer zweiten Metallschicht, die mit der Gegenstandsoberfläche kompatibel ist und in diese diffundieren kann, besteht.
Gemäß der vorliegenden Erfindung haben die mit Metall überzogenen keramischen Schleifpartikeln einen doppelten Metallüberzug, der eine erste Metallüberzugsschicht aufweist, welche jedes Partikel im wesentlichen einkapselt, und eine zweite Metallüberzugsschicht, welche die erste Überzugsschicht im wesentlichen einkapselt, wobei die zweite Metallschicht zur Diffusion in Nickel-Kobalt-Superlegierungen in der Lage ist, wenn sie bis in die Nähe ihrer Schmelztemperatur erhitzt wird, und keine schädlichen Phasen beim Diffundieren in die Superlegierungen bildet, und wobei die zweite Metallschicht die erste Metallschicht benetzt, wenn die zweite Metallschicht schmelzflüssig ist.
Das Verfahren nach der vorliegenden Erfindung zum Schaffen einer Schleifschicht, die keramische Partikeln in einer Metallmatrix enthält, auf der Oberfläche eines Gegenstands beinhaltet die Schritte Befestigen einer einzelnen Schicht der Partikeln in gegenseitigem Abstand auf der Gegenstandsoberfläche, wobei auf den Partikeln ein Mehrschichtüberzug vorhanden ist, der eine erste Oxidüberzugsschicht aufweist, die gegen Diffusion oder Auflösung beständig ist, wenn die Partikeln bei Temperaturen oberhalb 1100 ºC sind, und eine doppelte Metallüberzugsschicht, die eine erste und eine zweite Metallschicht aufweist, wobei die erste Metallschicht eine Schmelztemperatur von über 1315 ºC hat und gegen Diffusion und Auflösung beständig ist, wenn die Oxidschicht auf Temperaturen über 1100 ºC ist, und wobei die zweite Metallschicht einen Schmelzpunkt von unter 1100 ºC hat und in der Lage ist, die erste Metallschicht zu benetzen, wenn sie schmelzflüssig ist; Bewirken, daß die überzogenen Partikeln an der Gegenstandsoberfläche haften und von der Oberfläche in gegenseitigem Abstand vorstehen, Auftragen einer Schicht aus Metallmatrixmaterial auf die Gegenstandsoberfläche und über den Partikeln, um die Zwischenräume zwischen den überzogenen Partikeln auszufüllen, und Behandeln der Oberfläche der Matrix, so daß die Partikeln über die Matrixoberfläche vorstehen.
Die Erfindung bezieht sich auf überzogene keramische Partikeln, die als Schleifdispersoide in Metallmatrizen brauchbar sind. Sie bezieht sich insbesondere auf überzogene Siliciumcarbidkeramikpartikeln, die zum Gebrauch in einer Metallmatrixschleifschicht auf der Spitzenoberfläche einer Superlegierungsturbinenlaufschaufel besonders geeignet sind, die bei Betriebstemperaturen arbeitet, welche von 815 ºC (1500 ºF) bis 1100 ºC (2010 ºF) reichen. Gemäß der Erfindung sind die Keramikpartikeln gekennzeichnet durch einen mehrschichtigen Überzug; die erste Überzugsschicht ist gegen Diffusion oder Auflösung beständig, wenn die Keramik auf Temperaturen von bis zu wenigstens der maximalen Betriebstemperatur der Superlegierung ist, und verhindert jedwede Reaktion zwischen der Keramik und dem Matrixmaterial, in welchem sie dispergiert ist. Die erste Überzugsschicht verhindert außerdem jedwede Reaktion zwischen der Keramik und der Superlegierung. Die zweite Überzugsschicht hat eine Schmelztemperatur oberhalb der maximalen Betriebstemperatur der Superlegierung und ist gegen Auflösung oder Diffusion beständig, wenn die erste Überzugsschicht auf Temperaturen von bis zu wenigstens der maximalen Betriebstempertur ist. Die zweite Überzugsschicht ist außerdem mit dem Matrixmaterial und mit der Superlegierung kompatibel; d.h., es werden keine unerwünschten Phasen gebildet, wenn die zweite Überzugsschicht in die Matrix oder in die Superlegierung diffundiert. Die dritte Überzugsschicht ist ebenfalls mit dem Matrixmaterial und der Superlegierung kompatibel und hat eine Schmelztemperatur, die niedriger ist als die Schmelztemperatur der zweiten Überzugsschicht und niedriger als wenigstens 1095 ºC (2000 ºF). Die dritte Überzugsschicht ist zu beträchtlicher Diffusion in die Superlegierung bei Temperaturen unter 1095 ºC in der Lage. Wenn die dritte Schicht geschmolzen ist, benetzt sie die zweite Überzugsschicht.
Die bevorzugten keramischen Partikeln sind bei dieser Erfindung Siliciumcarbid, und die bevorzugten Überzugsschichten sind folgende: erste Schicht, Aluminiumoxid; zweite Schicht Nickel; dritte Schicht, eine Nickel-Bor-Legierung. Es ist deshalb zu erkennen, daß die bevorzugten keramischen Partikeln Siliciumcarbid mit einer Überzugsschicht (Aluminiumoxid) und einer doppelten Metallüberzugsschicht (Nickel-Bor über Nickel) sind.
Das Verfahren, durch welches eine Schleifschicht auf einer Superlegierungsturbinenlaufschaufelspitze unter Verwendung der mit Oxid und Metall überzogenen keramischen Partikeln nach dieser Erfindung hergestellt wird, beinhaltet folgendes: Befestigen einer einzelnen Schicht der keramischen Partikeln in gegenseitigem Abstand auf der Spitzenoberfläche der Laufschaufel; Erhitzen der Laufschaufel, um die Diffusion des Nickel-Bor-Überzugs auf jedem Partikel in die Laufschaufeloberfläche zu bewirken, wodurch eine hochfeste Sinterverbindung zwischen jedem Partikel und der Laufschaufel gebildet wird; Auftragen von Matrixmaterial auf die Spitzenoberfläche und über den mit derselben durch Sintern verbundenen Partikeln durch einen Plasmaspritzprozeß; isostatisches Warmpressen der Matrixschicht, um alle Hohlräume darin zu schließen; und Behandeln der Oberfläche der Matrix, so daß die keramischen Partikeln über die Matrixoberfläche vorstehen. Die Schleifschicht, die auf diese Weise hergestellt wird, ist in der Lage, bei Temperaturen von bis zu wenigstens 1100 ºC zu arbeiten, und hat sehr gute Schleifeigenschaften.
Die vorgenannten und andere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen und den beigefügten Zeichnungen deutlicher werden.
Fig. 1 zeigt im Querschnitt den radial äußeren Teil einer typischen Gasturbinenlaufschaufel, die eine gemäß der Erfindung hergestellte Schleifschicht hat;
Fig. 2 zeigt im Querschnitt die überzogenen keramischen Partikeln, die bei der Erfindung brauchbar sind;
Fig. 3 zeigt die Schleifschicht nach dem Aufbringen einer Metallmatrix; und
Fig. 4 zeigt die Ergebnisse von Sinterungsauswertungen von überzogenen Siliciumcarbidpartikeln.
Die Erfindung wird mit Bezug auf die Herstellung einer Schleifschicht auf einer Gasturbinentriebwerkslaufschaufelspitze beschrieben, welche an keramischen oder metallischen Luftabdichtungen reibt und bei maximalen Betriebstemperaturen von 1100 ºC arbeitet. Der einschlägige Fachmann wird erkennen, daß die Erfindung für andere, ähnliche Reibzwecke brauchbar sein kann.
Gemäß Fig. 1, auf die nun Bezug genommen wird, enhält die Schleifschicht 10 auf der Spitzenoberfläche 11 einer Gasturbinenlaufschaufel 14 überzogene keramische Partikeln 18 in einer Matrix 16. Die Laufschaufel 14 kann aus einer Nickelsuperlegierung bestehen, wie sie in der US-A-4 209 348 von Duhl et al beschrieben ist.
Die Schleifschicht 10 ist im Triebwerksbetrieb hohen Beanspruchungen ausgesetzt, und deshalb ist es wichtig, daß die Schicht 10 eine gewisse Konfiguration und gewisse Eigenschaften hat, damit sie ihre Funktion erfüllen kann. Insbesondere muß die Verbindungsfestigkeit zwischen den Partikeln 18 und der Spitzenoberfläche 11 hoch sein, so daß die PartikeIn während der Herstellung der Schleifschicht 10 oder im Betrieb des Triebwerks nicht von der Oberfläche 11 verlorengehen.
Die Schleifschicht 10, die gemäß der Erfindung hergestellt ist, ist gekennzeichnet durch eine einzelne Schicht aus eng beabstandeten keramischen Partikeln 18, welche von einem Matrixmaterial 16 umgeben sind, allgemein entsprechend der Schicht, die in dem oben erwähnten Patent von Eaten gezeigt ist. Das Matrixmetall 16 hat eine Dicke W, die vorzugsweise etwa 50 - 90 % der Gesamtdicke T der Partikeln 18 beträgt. Infolgedessen steht ein Teil jedes Partikels 18 in den Raum und über die Matrix 16 vor. Zum Erzielen der besten Betriebseigenschaften muß der nichtfreiliegende Teil der Partikeln 18 von Matrixmetall 16 umgeben sein, und die Partikeln 18 müssen engen gegenseitigen Abstand haben. In der Laufschaufelspitze, die gemäß der Erfindung hergestellt wird, wird jedes Schleifpartikel 18 mit der Laufschaufelspitze 11 durch Sintern verbunden, bevor das Matrixmaterial 16 aufgebracht wird, und der überwiegende Teil (vorzugsweise wenigstens 80 - 90 %) des Partikeloberflächeninhalts (ausschließlich desjenigen Oberflächeninhalts, der oberhalb der Matrix 16 freiliegt) ist von der metallischen Matrix 16 umgeben, statt mit anderen Partikeln 18 in Kontakt zu sein. Somit sind die Partikeln 18 alle mit der Laufschaufelspitze 11 fest verbunden. Außerdem sind die Partikeln 18 im allgemeinen auf der Laufschaufelspitze 11 gleichmäßig und dicht beabstandet. Dichten von 30 - 130 Partikeln cm² (200 - 840 Partikeln pro Quadratzoll) Spitzenoberfläche 11 werden bevorzugt, wobei 75 Partikeln pro cm² (485 Partikeln pro Quadratzoll) am bevorzugtesten sind.
Warmgepreßte und zerkleinerte Siliciumcarbidpartikeln mit einer nominellen Größe von 200 - 750 um (Mikrometer) haben sich bei der Ausführung der Erfindung als besonders brauchbar erwiesen, obgleich andere Größen in dem Bereich von etwa 25 - 1250 um (Mikrometer) ebenfalls brauchbar sein könnten. Andere Keramiken mit guter Hochtemperaturfestigkeit wie Siliciumnitrid, SiAlON (Silicium-Aluminium-Sauerstoff-Stickstoff) und Aluminiumoxid können ebenfalls benutzt werden. Wenn die Temperaturen, bei denen die Schleifschicht benutzt wird, niedrig sind, könnten Keramiken wie kubisches Bornitrid oder Diamant ebenfalls brauchbar sein. Ungeachtet dessen, ob der erwartete Gebrauch bei hohen oder niedrigen Temperaturen stattfindet, muß die Keramik gute Schleifeigenschaften haben.
Jedes der keramischen Partikeln 18 ist mit einem mehrschichtigen Überzug überzogen, wie es in Fig. 2 gezeigt ist. Die erste Überzugsschicht 30 ist ein Metalloxidüberzug, der bei erhöhten Temperaturen stabil ist; dieser Überzug verhindert, daß die Partikeln 18 während des bei erhöhter Temperatur durchgeführten Sinterns (Verbindens) sich auflösen oder in die Legierung der Laufschaufelspitze 11 diffundieren. Sie verhindert außerdem, daß die Partikeln mit der Laufschaufelspitze 11 und dem Matrixmaterial 16 während der Lebensdauer der Schleifschicht 10 reagieren. Ein Aluminiumoxidüberzug wird als die Oxidüberzugsschicht auf Siliciumcarbidpartikeln vorzugsweise benutzt, da sich diese Partikeln in Nickellegierungen bei hohen Temperaturen leicht auflösen, vgl. das oben erwähnte Patent von Johnson et al. Andere stabile Oxidüberzüge können ebenfalls benutzt werden. Wenn die keramischen Partikeln 18 von Haus aus gegen eine Reaktion mit der Laufschaufel- oder Matrixlegierung bei erhöhten Temperaturen beständig sind, braucht der Oxidüberzug 30 nicht notwendig zu sein. Wenn Aluminiumoxid benutzt wird, sollte es etwa 5 - 25 um (Mikrometer) (0,2 - 1 Millizoll) dick sein. Gemäß der Darstellung in Fig. 2 sollte der Überzug 30 das Siliciumcarbidpartikel 18 im wesentlichen einkapseln, um Auflösung und/oder Diffusion der Partikeln 18 in die Matrix 16 oder die Laufschaufelspitze 11 am besten zu verhindern.
Die zweite und dritte Überzugsschicht 31 bzw. 32 bilden einen doppelten Metallüberzug. Die zweite Überzugsschicht 31 hat eine Schmelztemperatur, die über der maximalen Betriebstemperatur der Schleifschicht 10 liegt. Außerdem ist die zweite Schicht 31 gegen Diffusion oder Auflösung in die Oxidüberzugsschicht 30 bei Temperaturen von bis zu wenigstens der maximalen Betriebstemperatur beständig. Die zweite Schicht 31 ist zur Diffusion in die Laufschaufellegierung und das Matrixmaterial 16 in der Lage, und es werden keine unerwünschten Phasen gebildet, wenn diese Diffusion stattfindet. Die bevorzugte zweite Überzugsschicht 31 besteht aus reinem Nickel, ist 2 - 8 um (Mikrometer) (0,08 - 0,3 Millizoll) dick und wird durch chemische oder physikalische Aufdampf-, elektrolytische oder stromlose Abscheidungstechniken aufgebracht. Reines Nickel schmilzt bei einer Temperatur von etwa 1455 ºC (2650 ºF). Übergangsmetalle wie Kobalt oder Chrom und eine hohe Schmelztemperatur aufweisende Edelmetalle wie Platin können für die Schicht 31 ebenfalls benutzt werden, ebenso wie Legierungen, die Nickel, Kobalt, Chrom, Platin usw. enthalten. Die Schmelztemperatur der Schicht 31 sollte wenigstens 1260 ºC (2300 ºF) betragen. Die zweite Überzugsschicht 31 kapselt die erste (Oxid-)Überzugsschicht 30 im wesentlichen ein.
Die dritte Überzugsschicht 32 ist die wichtigste Schicht der überzogenen Keramik in bezug auf die Bildung der hochfesten Sinterverbindung zwischen den Partikeln 18 und der Laufschaufelspitze 11. Die dritte Überzugsschicht 32 ist zu beträchtlicher Diffusion in die Spitzenoberfläche 11 der Laufschaufel 14 während eines bei hoher Temperatur ablaufenden Sintervorganges in der Lage. Die Schicht 32 ist mit der zweiten Schicht 31 und mit der Laufschaufel- und Matrixlegierung kompatibel, d.h. bildet keine Phasen oder Verbindungen, die ihre Eigenschaften verschlechtern würden. Die dritte Schicht 32 wird aus der Gruppe ausgewählt, die aus Übergangsmetallen, eine hohe Schmelztemperatur aufweisenden Edelmetallen oder Legierungen derselben besteht, welche ein Element enthalten, das den Schmelzpunkt herabsetzt, wie z.B. Bor oder Silicium. Das Element zum Herabsetzen des Schmelzpunktes ist so vorhanden, daß die dritte Schicht 32 bei einer Temperatur schmilzt, die wenigstens 150 ºC (300 ºF) niedriger als die Schmelztemperatur der zweiten Überzugsschicht 31 ist. Die dritte Schicht sollte eine Schmelztemperatur haben, die niedriger als 1095 ºC (2000 ºF) ist. Vorzugsweise ist das Basismetall (oder die Basislegierung) der dritten Überzugsschicht dasselbe wie das Metall (oder die Legierung), aus welchem die zweite Überzugsschicht besteht. Wenn die zweite Überzugsschicht Nickel ist, ist deshalb die dritte Überzugsschicht Nickel plus ein Element zum Herabsetzen des Schmelzpunkts. Wenn die dritte Überzugsschicht eine Nickel-Bor-Legierung ist, sollte sie 2 - 8 um (Mikrometer) (0,008 - 0,3 Millizoll) dick sein, zwischen 1 - 5 Gewichtsprozent Bor enthalten und durch stromlose Abscheidung aufgebracht werden. Etwa 3,5 Prozent Bor ist die bevorzugteste Zusammensetzung; eine solche Legierung hat eine Schmelztemperatur von 1080 ºC (1980 ºF). In Fig. 2 ist zu erkennen, daß die dritte Schicht 32 die zweite Schicht 31 im wesentlichen einkapselt.
Die Nickel-Bor/Nickel-Doppelmetallschicht ist eine besonders erwünschte Doppelmetallüberzugskombination. Wenn die Nickel- Bor-Schicht 32 während der Herstellung der Schleifschicht 10 jemals geschmolzen wird, wird sie die Oberfläche der Nickelschicht 31 benetzen, statt sich als Perlen auf der Nickelschicht 31 auszubilden. Wenn die geschmolzene Nickel-Bor- Schicht 32 erstarrt, wird sich die Sinterverbindung zwischen den Partikeln 18 und der Laufschaufelspitze 11 neu bilden.
Für optimale Schleifeigenschaften werden die überzogenen keramischen Partikel 18 auf die Laufschaufelspitzenoberfläche 11 in eng beabstandeter Beziehung zueinander aufgebracht. Eine Dichte von 75 Partikeln pro cm² ist erwünscht. Die bevorzugte Praxis zum Aufbringen der Partikeln 18 auf die Spitzenoberfläche 11 ist ausführlicher in der US-A-4 680 199 von Vontell et al erläutert. Zum anfänglichen Befestigen der Partikeln 18 an der Laufschaufelspitzenoberfläche 11 (d.h. vor dem Sintervorgang) wird die Oberfläche 11 mit einer Schicht Klebharz überzogen. Nickelflocken können in dem Harz vorhanden sein, wie es in der US-A-4 689 242 von Pike erläutert ist.
Nachdem die Partikeln 18 auf die Laufschaufelspitze 11 aufgebracht worden sind, wird die Spitze 11 auf eine ausreichende Temperatur erhitzt, um das Harz zu verflüchtigen und zu bewirken, daß die Ni-B-Schicht 32 auf der Partikeln 18 in die Spitzenoberfläche 11 in Gebieten, in denen Punktkontakt vorhanden ist, diffundiert. Infolge der Diffusion, die stattfindet, wird eine Sinterverbindung 19 zwischen den Partikeln 18 und der Spitzenoberfläche 11 gebildet. Die bevorzugten Sinterbedingungen sind in dem Bereich der Schmelztemperatur der Ni-B-Schicht, d.h. 1065 - 1095 ºC für bis zu 8 Stunden in einer nichtoxidierenden Atmosphäre. Vorzugsweise erfolgt das Sintern bei einer Temperatur, die etwas unterhalb der Ni-B- Schmelztemperatur (1080 ºC) liegt.
Nach dem Sintern ist jedes Partikel 18 mit der Spitzenoberfläche 11 infolge der Diffusion von Ni-B in die Spitzenoberfläche fest verbunden. Diese Verbindung gewährleistet, daß wenige, wenn überhaupt, Partikeln 18 von der Oberfläche 11 während eines anschließenden Matrixauftragsschrittes, der unten beschrieben ist, losgelöst werden. Sie gewährleistet außerdem, daß die Schleifschicht 10 die notwendigen Schleifeigenschaften während des Triebwerksbetriebes hat.
Das Auftragen des Matrixmaterials 16 erfolgt vorzugsweise durch Vakuumplasmalichtbogenspritzen, obgleich herkömmliches Plasmaspritzen, physikalisches Aufdampfen und galvanische Abscheidung ebenfalls benutzt werden könnten. Das Matrixmaterial 16 wird bis zu einer Dicke W' aufgetragen, wie es in Fig. 3 gezeigt ist. Eine Nickelsuperlegierung des Typs, wie er in dem oben erwähnten Patent von Johnson et al allgemein beschrieben ist, kann als Matrix benutzt werden, ebenso wie andere Legierungen mit guten Hochtemperatureigenschaften (Oxidations- und Korrosionsbeständigkeit, Warmhärte, usw.).
Eine hochfeste Verbindung zwischen den Schleifpartikeln 18 und der Laufschaufelspitze 11 ist besonders wichtig, wenn die Natrix 16 durch das bevorzugte Vakuumplasmaspritzen aufgetragen wird, wobei Matrixpulverpartikeln in einem Plasmastrom hoher Temperatur und Geschwindigkeit erhitzt und mit hohen Geschwindigkeiten auf die Spitzenoberfläche 11 getrieben werden. Es wird geschätzt, daß die Geschwindigkeit der erhitzten Pulverpartikeln in dem Bereich von etwa 200 - 500 m/s(670 - 1640 Fuß/s) liegt; die Geschwindigkeit des Plasmastroms dürfte wenigstens etwa das Zweifache der Partikelgeschwindigkeit betragen. Die Sinterverbindung, die gebildet wird, wenn die Ni-B-Schicht 32 auf jedem Partikel 18 in die Spitzenoberfläche 11 diffundiert, hat eine ausreichend hohe Festigkeit, so daß nur wenige der überzogenen Partikeln 18, wenn überhaupt, von der Spitzenoberfläche 11 während des Spritzvorganges verlorengehen. Wenn die Verbindung keine ausreichende Festigkeit hätte, würde eine übermäßige Menge der Partikeln von der Spitzenoberfläche 11 losgelöst werden, wenn die Matrixschicht 16 aufgebracht wird. Der Ni-B-Überzug 32 diffundiert nicht nur in die Spitzenoberfläche 11, sondern er diffundiert auch in die zweite Metallüberzugsschicht 31 auf jedem Partikel 18, wodurch die Verbindung zwischen den Partikeln 18 und der Laufschaufelspitze 11 weiter verstärkt wird.
Ein zusätzlicher Vorteil aufgrund der Verwendung der überzogenen Partikeln dieser Erfindung und insbesondere der Verwendung der doppelten Ni-B/Ni-Schicht zeigt sich während der vorbereitenden Schritte des Vakuumplasmaspritzprozesses. Bei dem Auftragen des Matrixmaterials durch diesen Prozeß muß die Laufschaufelspitzenoberfläche 11 zuerst gereinigt werden. Wenn die Oberfläche 11 nicht gereinigt wird, wird die Verbindungsfestigkeit zwischen dem Matrixmaterial 16 und der Spitze 11 unakzeptabel gering sein. Umkehrtransferlichtbogen (RTA)- Reinigen ist das bevorzugte Verfahren zum Reinigen der Spitzenoberfläche 11. Während der RTA-Reinigung wird die Spitzenoberfläche 11 durch einen elektrischen Lichtbogen hoher Temperatur, der zwischen der Oberfläche 11 und der Elektrode in der Plasmaspritzkanone erzeugt wird, sprühgereinigt. Die Temperatur des Lichtbogens kann hoch genug sein, um zu bewirken, daß ein Teil der Ni-B-Schicht auf den Schleifteilchen schmilzt, wobei in diesem Fall das schmelzflüssige Ni-B die Ni-Zwischenschicht benetzt, statt sich als Perlen auszubilden und von den Partikeln 18 herunterzulaufen. Wenn das schmelzflüssige Ni-B von den Partikeln 18 herunterlaufen würde, würde es von der Laufschaufelspitze 11 wahrscheinlich verlorengehen, wenn die RTA-Reinigung fortgesetzt wird. Wenn mit Aluminiumoxid überzogene Siliciumcarbidpartikeln nur mit einer Ni-B-Metallschicht überzogen werden und die Ni-B-Schicht während der RTA-Reinigung geschmolzen wird, bildet sich das geschmolzene Metall auf der Aluminiumoxidschicht in Form von Perlen aus, und die Partikeln werden leicht von der Laufschaufelspitzenoberfläche abgelöst.
Die gespritzte Schicht aus Matrixmaterial 16 wird zwar eine theoretische Dichte von etwa 95 Prozent haben, sie kann jedoch eine gewisse Porosität oder Hohlräume aufweisen, was die mechanischen Eigenschaften der gesamten Schleifschicht 10 verschlechtern könnte. Zum Beseitigen von solchen Hohlräumen wird die Laufschaufel 14 einer isostatischen Warmpreß(HIP)- Prozedur nach dem Auftragen des Matrixmaterials 16 unterzogen. Die HIP-Behandlung verbessert außerdem die Verbindung zwischen der Matrix 16, den Partikeln 18 und der Laufschaufelspitze 11. Für das Nickelsuperlegierungsmatrixmaterial, das in dem Johnson-Patent beschrieben ist, sind eine HIP-Temperatur von etwa 1100 ºC und ein Gasdruck von etwa 140 NPa, die für zwei Stunden eingesetzt werden, ausreichend. Andere Warmpreßparameter können benutzt werden, um das Matrixmaterial 16 zu konsolidieren und das Ziel des Verdichtens und Verbindens zu erreichen.
Anschließend wird die Oberfläche der Schleifschicht 10 maschinell bearbeitet, um eine glatte, relativ ebene Oberfläche herzustellen. Schließlich wird die Oberfläche der Schleifschicht 10 mit einem chemischen Ätzmittel oder einem anderen Stoff in Berührung gebracht, der das Matrixmaterial 16 angreifen und einen Teil desselben entfernen wird, was bewirkt, daß ein Teil von jedem der Partikeln 18 in den Raum vorsteht. Zum Beispiel kann eine elektrochemische Bearbeitung benutzt werden, wie es in dem US-Patent Nr. 4 522 692 von Joslin beschrieben ist. Dieser Schritt reduziert die Matrixdicke auf eine Abmessung W, die etwa 50 - 90 Prozent der Partikelabmessung T beträgt, und ergibt eine Schleifschicht 10, welche die Form hat, die in Fig. 1 schematisch gezeigt ist.
Der Schlüsselaspekt der Erfindung ist, daß die doppelte Nickel-Bor/Nickel-Überzugsschicht eine hochfeste Sinterverbindung zwischen den Schleifpartikeln 18 und der Laufschaufelspitzenoberfläche 11 ergibt, bevor das Matrixmaterial 16 aufgetragen wird. Nachdem das Matrixmaterial 16 aufgetragen worden ist, werden die Partikeln 18 außerdem durch die Matrix 16 an der Spitzenoberfläche 11 festgehalten. Die hochfeste Verbindung der Partikeln, die erfindungsgemäß erzielt wird, geht deutlich aus folgendem Beispiel hervor. Warmgepreßte und zerkleinerte Siliciumcarbidpartikeln, nominell mit einem Durchmesser von etwa 300 um (Mikrometer (12 Millizoll)), wurden mit einer 12 µm (Mikrometer (0,5 Millizoll)) Schicht Aluminiumoxid gemäß dem Johnson-Patent, auf das oben verwiesen worden ist, überzogen. Dann wurden die Partikeln in drei Gruppen eingeteilt. Die erste Gruppe wurde mit 5 um (Mikrometer (0,2 Millizoll)) Ni-B stromlos überzogen; die zweite Gruppe wurde mit 8 um (Mikrometer (0,3 Millizoll)) Ni- B stromlos überzogen; die dritte Gruppe wurde mit 5 um (Mikrometer) reinem Nickel und dann stromlos mit 5 um (Mikrometer) Ni-B überzogen. Die Sinterungseigenschaften jeder Gruppe von überzogenen Siliciumcarbidpartikeln an Nickelsuperlegierungstestproben wurden dann ausgewertet.
Bei dieser Auswertung des Sinterns wurden die überzogenen Partikeln auf die Oberfläche der Testproben aufgebracht, die mit einer dünnen Schicht Klebharz (Polystyrol) in einem Träger geringer Viskosität, der auch Nickelflocken enthielt, überzogen waren. Die Partikeln wurden durch Sintern mit der Oberfläche der Testproben bei 1065ºC für 3 Stunden verbunden.
Die Probenoberfläche wurd dann durch herkömmliche RTA-Bearbeitung in einer Vakuumplasmaspritzkammer gereinigt. Eine RTA-Reinigung von 60 Sekunden bei 3 kW ist der Standardzyklus. Tabelle 1 und Fig. 4 zeigen, daß die Verwendung der Ni- B/Ni-Doppelmetallschicht zu einer Sinterverbindung mit beträchtlich mehr Festigkeit als mit jedem der Nickel-Bor-Einschichtüberzugssysteme führt: Nach dem Standard-RTA-Zyklus von 60 Sekunden waren noch 99 % der mit Ni-B/Ni überzogenen Partikeln mit der Probenoberfläche verbunden, wogegen nur 60 % der mit 5 um (Mikroineter) Ni-B überzogenen Partikeln und 20 % der mit 8 um (Mikrometer) Ni-B überzogenen Partikeln mit der Oberfläche verbunden waren. Nach 120 Sekunden RTA-Reinigung ist die Überlegenheit der Ni-B/Ni-B Doppelüberzugsschicht sogar noch deutlicher.
Bei einer zweiten Auswertung des Sinterns wurden wieder drei Gruppen von überzogenen Siliciumcarbidpartikeln ausgewertet. Die erste Gruppe war mit 5 um (Mikrometer) (0,2 Millizoll) stromlos abgeschiedenem reinem Nickel überzogen; die zweite Gruppe war mit 5 um (Mikrometer) stromlos abgeschiedenem Ni-B überzogen; die dritte Gruppe war mit 5 um (Mikrometer) jeweils von Ni-B über Ni überzogen. Die überzogenen Partikeln wurden dann durch Sintern mit den Nickelsuperlegierungstestproben bei Temperaturen zwischen 1065 ºC (1950 ºF) und 1095 ºC (2000 ºF) verbunden. Nach dem Sintern wurde eine Scherbelastung von 25 Gramm auf die einzelnen Partikeln ausgeübt, und der Prozentsatz an Partikeln, die noch mit der Probenoberfläche nach dem Test (relativ zu der Anzahl, die vor dem Test mit der Oberfläche verbunden waren) verbunden waren, wurde bestimmt. Tabelle 2 zeigt, daß die Sinterverbindung höchster Festigkeit mit den Partikeln mit Ni-B/Ni-Doppelmetallüberzug, gesintert bei 1080 ºC (1975 ºF) für 2 Stunden, erzielt wurde. Sie zeigt außerdem die extreme Empfindlichkeit der anderen beiden Überzugssysteme für geringfügige Veränderungen in den Sintertemperaturen: Wenn die Sintertemperatur 1095 ºC betrug, waren nur 2 % der mit den Ni- oder Ni-B-Überzugssystemen überzogenen Partikeln nach dem Scherbelastungstest verbunden. Mit der erfindungsgemäßen Doppelüberzugsschicht waren noch 51 % der Partikeln verbunden.
Die Erfindung ist zwar mit Bezug auf eine bevorzugte Ausführungsform gezeigt und beschrieben worden, für den einschlägigen Fachmann ist jedoch klar, daß verschiedene Änderungen in Form und Detail im Rahmen der beanspruchten Erfindung möglich sind. Tabelle 1 Prozent Partikeln, die nach Sintern bei 1065 ºC für 3 Stunden und Umkehrtransferlichtbogen(RTA)-Reinigung erhalten geblieben sind Überzugssystem RTA-Bedingungen % erh. gebl. (Mikrometer) Tabelle 2 Prozent Partikeln, die nach Sinterung und Beaufschlagung mit 25 Gramm Scherbelastung erhalten geblieben sind Überzugssystem Sinterbehandlung Reines Nickel

Claims

1. Mit Metall überzogene keramische Schleifpartikeln in dem Bereich von 25 bis 1250 µm (Mikrometer), wobei auf den Partikeln ein doppelter Metallüberzug vorhanden ist, der eine erste Metallüberzugsschicht aufweist, welche jedes Partikel im wesentlichen einkapselt, und eine zweite Metallüberzugsschicht, welche die erste Überzugsschicht im wesentlichen einkapselt, wobei die zweite Metallschicht zur Diffusion in Nickel-Kobalt-Superlegierungen in der Lage ist, wenn sie bis in die Nähe ihrer Schmelztemperatur erhitzt wird, und keine schädlichen Phasen beim Diffundieren in die Superlegierungen bildet, und wobei die zweite Metallschicht die erste Metallschicht benetzt, wenn die zweite Metallschicht schmelzflüssig ist.

2. Partikeln nach Anspruch 1, wobei die Keramik aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Siliciumcarbid, Siliciumnitrid und SiAlON besteht; wobei die erste Metallschicht unter den Übergangsmetallen einschließlich den Edelmetallen und Legierungen derselben ausgewählt ist; und wobei die zweite Metallschicht unter den Übergangsmetallen einschließlich den Edelmetallen und Legierungen derselben ausgewählt ist, welche ein Element enthalten, das den Schmelzpunkt reduziert, so daß die zweite Metallschicht bei einer Temperatur schmilzt, die wenigstens 150 ºC niedriger als die Schmelztemperatur der ersten Metallschicht ist.

3. Partikeln nach Anspruch 2, wobei die Keramik Siliciumcarbid ist, die erste Metallschicht Nickel ist, und die zweite Metallschicht eine Nickel-Bor-Legierung ist, die zwischen 1 und 5 Gew.% Bor enthält.

4. Partikeln nach Anspruch 3, weiter mit einer Schicht Aluminiumoxid zwischen dem Siliciurncarbid und der Nickelschicht.

5. Partikeln nach Anspruch 1, zusätzlich mit einer Oxidüberzugsschicht zwischen dein keramischen Partikel und dem doppelten Metallüberzug, wobei die Oxidüberzugsschicht gegen Diffusion oder Auflösung beständig ist, wenn die Keramik auf den Betriebstemperaturen ist; wobei die doppelte Metallüberzugsschicht eine erste und eine zweite Metallschicht aufweist, von denen die erste Metallschicht eine Schmelztemperatur oberhalb der Betriebstemperaturen hat und gegen Diffusion oder Auflösung beständig ist, wenn die Oxidüberzugsschicht auf den Betriebstemperaturen ist, und von denen die zweite Metallschicht eine Schinelztemperatur von weniger als 1100 ºC hat, und die zweite Metallschicht die erste Metallschicht benetzt, wenn sie schmelzflüssig ist.

6. Partikeln nach Anspruch 5, wobei die Oxidüberzugsschicht gegen Diffusion oder Auflösung beständig ist, wenn die Keramik auf Temperaturen von bis zu wenigstens 1100 ºC ist; wobei die erste Metallschicht gegen Diffusion oder Auflösung beständig ist, wenn die Oxidschicht auf Temperaturen von bis zu wenigstens 1100 ºC ist; und wobei die zweite Metallschicht eine Schmelztemperatur hat, die wenigstens 150 ºC niedriger als die Schmelztemperatur der ersten Metallschicht ist.

7. Partikeln nach Anspruch 1, mit einer Größe innerhalb des Bereiches von 25 - 1250 um (Mikrometer) und mit einem auf ihnen vorhandenen doppelten Metallüberzug, der eine erste Metallschicht aufweist, die eine Schmelztemperatur von wenigstens 1315 ºC hat; und eine zweite Metallschicht, die einen Schmelzpunkt von weniger als 1100 ºC hat und in der Lage ist, die erste Metallschicht zu benetzen, wenn sie schmelzflüssig ist.

8. Partikeln nach Anspruch 5, wobei die Partikeln Siliciumcarbidpartikeln sind, die eine 5 - 25 um (Mikrometer) dicke Schicht Aluminiumoxid haben, eine 2 - 8 um (Mikrometer) Schicht Nickel über dem Aluminiumoxidüberzug und eine 2 - 8 um (Mikrometer) Schicht Nickel-Bor über dem Nickelüberzug, wobei der Nickel-Bor-Überzug zwischen 1 - 5 Gewichtsprozent Bor enthält.

9. Verfahren zum Schaffen einer Schleifschicht, die keramische Partikeln in einer Metallmatrix enthält, auf der Oberfläche eines Gegenstands, beinhaltend die Schritte Befestigen einer einzelnen Schicht der Partikeln in gegenseitigem Abstand auf der Gegenstandsoberfläche, wobei auf den Partikeln ein Mehrschichtüberzug vorhanden ist, der eine erste Oxidüberzugsschicht aufweist, die gegen Diffusion oder Auflösung beständig ist, wenn die Partikeln bei Temperaturen oberhalb 1100 ºC sind, und eine doppelte Metallüberzugsschicht, die eine erste und eine zweite Metallschicht aufweist, wobei die erste Metallschicht eine Schmelztemperatur über 1315 ºC hat und gegen Diffusion und Auflösung beständig ist, wenn die Oxidschicht auf Temperaturen über 1100 ºC ist, und wobei die zweite Metallschicht einen Schmelzpunkt unter 1100 ºC hat und in der Lage ist, die erste Metallschicht zu benetzen, wenn sie schmelzflüssig ist; Bewirken, daß die überzogenen Partikeln an der Gegenstandsoberfläche haften und von der Oberfläche in gegenseitigem Abstand vorstehen; Auftragen einer Schicht aus Metallmatrixmaterial auf die Gegenstandsoberfläche und über den Partikeln, um die Zwischenräume zwischen den überzogenen Partikeln auszufüllen, und Behandeln der Oberfläche der Matrix, so daß die Partikeln über die Matrixoberfläche vorstehen.

10. Schleifschicht, geschaffen auf der Spitzenoberfläche einer Laufschaufel eines Gasturbinentriebwerks beim Ausführen des Verfahrens nach Anspruch 9, wobei die Schicht gegenseitigen Abstand aufweisende keramische Partikeln in einer Metallmatrix enthält, wobei die keramischen Partikeln jeweils durch Sintern mit der Laufschaufeloberfläche verbunden sind und die Matrix die Gebiete zwischen den Partikeln ausfüllt, wobei auf jedem Partikel eine Oxidüberzugsschicht und eine doppelte Metallüberzugsschicht vorhanden ist, wobei die Oxidüberzugsschicht mit der Keramik nicht reagiert und jedes Partikel einkapselt; und wobei die doppelte Metallüberzugsschicht eine erste und eine zweite Metallschicht aufweist, von denen die erste Metallschicht mit der Keramik nicht reagiert und jedes Partikel im wesentlichen einkapselt und von denen die zweite Metallschicht in die Laufschaufeloberfläche diffundiert ist.

11. Schleifschicht nach Anspruch 10, wobei die Keramik Siliciumcarbid ist, die Oxidüberzugsschicht Aluminiumoxid ist, die erste Metallschicht Nickel ist und die zweite Metallschicht eine Nickel-Bor-Legierung ist.