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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gegenstand, der
mit erosionsbeständigem Titan oder einer
erosionsbeständigen Titanlegierung mit einem Titangehalt, der 50 Atom%
übersteigt, überzogen ist und eine Dauerwechselfestigkeit
hat, die im wesentlich gleich der eines ähnlichen,
unüberzogenen Gegenstands ist.
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Die Erfindung bezieht sich auf Überzüge zum Schutz von
Titanlegierungsgasturbinentriebwerksbauteilen. Insbesondere
bezieht sich die Erfindung auf Titannitridüberzüge, welche
Erosionsbeständigkeit ohne nennenswerte Einbuße an
Dauerwechselfestigkeit schaffen.
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Titanlegierungen werden wegen ihrer mechanischen
Eigenschaften überwiegend, wenn nicht ausschließlich, bei der
Herstellung von Verdichterhardware für
Gasturbinentriebwerke benutzt. Diese Hardware umfaßt Laufschaufeln und
Leitschaufeln, die zusammenwirken, um Luft zu verdichten,
welche anschließend unter Zusatz von
Kohlenwasserstoffbrennstoff verbrannt wird, um Antriebsenergie zu erzeugen.
Die Turbinentriebwerksverdichter weisen im allgemeinen eine
Vielzahl von Kränzen von Laufschaufeln und Leitschaufeln
auf, die zusammenwirken, um Luft fortschreitend zu
verdichten. Die Anzahl der Stufen kann von etwa 5 bis etwa 20
reichen. In einem modernen Gasturbinentriebwerk kann die
verdichtete Luft eine Temperatur bis zu 760 ºC (1400 ºF),
Drücke bis zu 3,10 MPa (450 psi) und Geschwindigkeiten bis
zu 300 m/min (1000 Fuß pro Minute) erreichen. Man kann sich
somit vorstellen, daß Verdichterhardware, insbesondere
gegen Ende des Verdichtungsprozesses, in einer
beanspruchenden Umgebung arbeitet.
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Ein effizienter Verdichterbetrieb verlangt das
Aufrechterhalten der ursprünglichen Verdichterhardwaregeometrie. Die
Verdichterlaufschaufeln und -leitschaufeln haben
Flügelprofilformen mit relativ scharfen Kanten. Die
Gasturbinentriebwerke saugen riesige Mengen an Luft ein, und diese
Luft wird unvermeidlich eine gewisse Menge an
Teilchenmaterial enthalten. In dem Fall eines Flugzeuges kann es sich
dabei um Sand oder Splitt von der Rollbahn handeln. Solche
Materialien sind sehr schmirgelnd und erosiv, wenn sie mit
hohen Geschwindigkeiten auf die Verdichterhardware
auftreffen. Der Erosionsprozeß ist schädlich, weil er den
Verdichterwirkungsgrad wegen der Verschlechterung der
Anfangsschaufelgeometrie reduziert.
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Dieses Problem ist seit einiger Zeit erkannt worden, und es
sind Versuche gemacht worden, harte Überzüge auf
Verdichterhardwareoberflächen zu benutzen, um die Erosion zu
verringern. Solche Überzüge sind beim Kontrollieren der
Erosion im allgemeinen mehr oder weniger wirksam, sie
hatten bislang aber alle eine deutlich nachteilige Auswirkung
auf das Ermüdungsverhalten bei hoher Lastspielzahl.
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Verdichterlaufschaufeln und -leitschaufeln arbeiten in
einem bewegten Gasstrom hoher Energie und sind einer Vielfalt
von Schwingungseffekten ausgesetzt. Aufgrund dieser
Bedingungen und aufgrund der von Haus aus vorhandenen
Eigenschaften von Titan haben viele Verdichterbauteile eine
Lebensdauer, die durch die Ermüdung begrenzt wird. Deshalb
kann irgendeine Verschlechterung der
Dauerwechselfestigkeit, die aus einem harten Überzug resultiert, nicht
zugelassen werden.
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Es gibt deshalb einen Bedarf an einem erosionsbeständigen
Überzug, der die Dauerwechselfestigkeit von
Gasturbinenteilen nicht reduziert.
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Der erosionsbeständige, mit Titan oder einer Titanlegierung
mit einem Titangehalt, welcher 50 Atom% übersteigt,
überzogene Gegenstand nach der vorliegenden Erfindung umfaßt:
einen strahlverfestigten Gegenstand aus Titan oder
Titanlegierung mit einem 50 Atom% übersteigenden Titangehalt, der
Restoberflächendruckspannungen hat;
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einen Titannitridoberflächenüberzug, der
Restoberflächendruckspannungen hat, die die vorher vorhandene
Titanrestoberflächendruckspannung übersteigen, wobei der Überzug
eine Dicke von 10 bis 25 um und ein Verhältnis von
Stickstoff zu Titan von 1,05 bis 1,15 hat.
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In ihrer breitesten Ausgestaltung beinhaltet die
vorliegende Erfindung einen Titannitrid(TiN)-Überzug, der mit
einem Titanlegierungssubstrat fest verbunden ist, wobei der
Überzug eine beträchtliche Restoberflächendruckspannung
hat. Wir haben herausgefunden, daß
Restüberzugsdruckspannung innerhalb eines gewissen Bereiches bewirken, daß die
Einbuße an Dauerwechselfestigkeit, die bei solchen
Überzügen früher beobachtet worden ist, im wesentlichen
eliminiert wird.
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Titannitrid ist die Überzugszusammensetzung nach der
vorliegenden Erfindung. Restdruckspannungen in dem Überzug
resultieren aus einem Überschuß an Stickstoff. Ein solcher
Überschuß an Stickstoff, das als ein interstitielles
Element vorhanden ist, beansprucht das Titannitridgitter und
erzeugt eine Restdruckspannung.
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Ein solcher Überzug kann unter Verwendung eines
Aufdampfprozesses mit reaktivem Lichtbogen aufgebracht werden. Bei
einem solchen Prozeß wird ein elektrischer Lichtbogen
benutzt, um ein Plasma in einem Stickstoffgas reduzierten
Druckes zu erzeugen. Der Lichtbogen wird von einer
Titankatode ausgezogen und erzeugt eine Plasmawolke, die
ionisierten Stickstoff und verdampftes Titan, das vermutlich
ebenfalls ionisiert ist, enthält. Diese Bestandteile vereinigen
sich, um einen Titannitridüberzug auf einem benachbarten
Substrat zu bilden, das geeignet elektrisch vorgespannt
werden kann, um einen verbesserten Überzugsauftrag zu
erzielen. Wenn mit den richtigen Bedingungen gearbeitet wird,
wird das Verhältnis von Stickstoff zu Titan in den
Überzügen nach Erfindung von 1,05 bis 1,15 reichen. Solche
Stickstoffüberschüsse werden erzielt, wenn die Überzüge für
lange Zeitspannen aufgebaut worden sind, das heißt, solche
Stickstoffüberzüge werden in dicken Überzügen beobachtet.
Dieser überschüssige Stickstoff, der bei Überzugsdicken von
10 bis 25 um (Mikrometer) vorhanden ist, wird eine
Restdruckspannung von wenigstens 100 ksi und vorzugsweise von
689,5 bis 1034,25 MPa (100 bis 150 ksi) erzeugen. Eine
solche Überzugsrestspannung wird die Oberflächenrestspannung
übersteigen, die in einem unüberzogenen Titanbauteil
normalerweise vorhanden ist, und wird deshalb Rißeinleitung und
-wachstum verzögern helfen. In der folgenden Beschreibung
und den Ansprüchen sind alle Spannungen bei Raumtemperatur
gemessen worden. Außerdem, wenn auf Titan Bezug genommen
wird, so sollen darin Titanlegierungen eingeschlossen sein,
bei denen der Titangehalt 50 Atom% übersteigt. Bevorzugte
Legierungselemente umfassen die hochschmelzenden Metalle
wie Zirkonium, Hafnium, Molybdän, Tantal, Niob, Vanadium,
Chrom, Wolfram, Rhenium und dgl.
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Die vorstehenden und andere Merkmale und Vorteile der
vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung
und der beigefügten Zeichnung deutlicher werden.
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Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung, die zum Auftragen von
erfindungsgemäßen Überzügen geeignet ist.
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Fig. 2 zeigt das Ermüdungsverhalten, das aus Überzügen
unterschiedlicher Dicke resultiert.
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Fig. 3 zeigt die Auswirkung des erfindungsgemäßen Überzugs
auf das Erosionsverhalten.
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Die Überzüge nach der Erfindung können hergestellt werden,
indem eine Vorrichtung benutzt wird, die in Fig. 1 in
schematischer Form gezeigt ist. Speziellere Einzelheiten über
die Vorrichtung finden sich in internationalen Anmeldungen,
die unter dem Patentzusammenarbeitsvertrag am 9. April 1987
eingereicht worden sind, Veröffentlichungs-Nr. W087/02 071
und WO87/02072. Die Erfindung betrifft gewisse beanspruchte
Überzüge, die unter Verwendung der Vorrichtung hergestellt
werden, wobei die Vorrichtung nicht Teil der vorliegenden
Erfindung ist.
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Gemäß Fig. 1, auf die nun Bezug genommen wird, hat die
Vorrichtung zum Ausführen des Verfahrens nach der Erfindung
einen Mantel 10 mit einer Vakuumkammer 11, die auf einen
gewünschten Betriebsdruck von im allgemeinen zwischen 13,3
und 0,06 Pa (10&supmin;¹ bis 5 x 10&supmin;&sup4; Torr) und vorzugsweise
zwischen 6,65 und 0,66 Pa (5 x 10&supmin;² und 5 x 10&supmin;³ Torr) durch
ein herkömmliches Vakuumpumpsystem 12 evakuiert wird, das
mit der Vakuumkammer 11 über einen offenen Anschluß 13 in
Verbindung steht.
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Die Vakuumkammer 11 kann irgendeine gewünschte Geometrie
haben und irgendeine gewünschte Größe aufweisen, um ein
oder mehrere Objekte 14 aufzunehmen, die mit
Quellenmaterial überzogen werden sollen, welches durch Verdampfen von
einer oder mehreren massiven Titankatoden 15 gemäß der
Ausführung der vorliegenden Erfindung geliefert wird. Zu
Veranschaulichungszwecken ist der Mantel 10 mit einem
insgesamt rechteckigen Körper gezeigt, der, im Querschnitt, eine
obere Wand 16, eine untere Wand 17 und Seitenwände 18 bzw.
19 hat. Der Mantel 10 kann einen zusätzlichen Abschnitt 20
aufweisen, der eine beliebige Strecke von der Seitenwand 18
vorsteht. Die Seitenwand 18 hat eine Öffnung 21, über die
die Titankatode 15 mit der Vakuumkammer 11 in Verbindung
steht.
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Die Titankatode 15 ist an einer Katodentragvorrichtung 22
befestigt. Die Katodentragvorrichtung 22 ist an einem
Flansch 25 durch einen Isolator 27 befestigt. Der
Befestigungsflansch 25 ist mit dem Abschnitt 20 des Mantels 10
verbunden. Der Tragblock 22 hat einen relativ kleinen
Hohlraum 28, der mit einem Einlaßdurchlaß 29 und mit
Auslaßdurchlässen
30 verbunden ist. Ein Kühlmittel wie Wasser
wird durch den Hohlraum 28 von einer Quelle aus (nicht
dargestellt) hindurchgeleitet. Das Kühlmittel fließt von der
Quelle durch den Einlaßdurchlaß 29 in den Hohlraum 28 und
kehrt zu der Quelle über die Auslaßdurchlässe 30 zurück.
Ein Gleichstrommagnet 33 ist in dem Tragblock 22 angeordnet
und dient zum Verteilen des Befestigungsortes eines
elektrischen Lichtbogens 34 über der Lichtbogenverdampfungs
oberfläche 35 der Katode 15.
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Ein hohles, langgestrecktes Teil 36 umgibt die Titankatode
15 und hat Abstand von derselben, um einen relativ schmalen
Zwischenraum 40 zu bilden. Das langgestreckte Teil 36 ist
an dem Befestigungsflansch 25 durch den Isolator 27
befestigt. Die Geometrie des Teils 36 und ein offenes Ende 41
sind der Geometrie und der Abmessung der Titankatode 15
vorzugsweise im wesentlichen angepaßt, wie es in den Fig.
3A, 3B bzw. 3C der WO-A-87/02071 gezeigt ist. Das
langgestreckte Teil 36 sollte über seiner Länge in der
Querschnittsabmessung im wesentlichen gleichmäßig sein. Das
gewährleistet, daß das offene Ende 41 die Plasmaströmung
nicht drosselt, wenn diese das Teil 36 verläßt. Wenn eine
zylindrische oder scheibenförmige Titankatode benutzt wird,
sollte demgemäß das Teil 36 vorzugsweise rohrförmig sein,
wobei der schmale Zwischenraum 40 im Querschnitt
kreisringförmig ist. Bei einer Katode mit einem Durchmesser von 6,35
cm kann die Dicke des ringförmigen Zwischenraums 40 von
etwa 0,08 cm bis etwa 0,24 cm reichen. Eine Einlaßöffnung
38 in dem Tragblock 22 steht mit dem schmalen Zwischenraum
40 und mit einer Eingangsstickstoffgasversorgungsleitung 39
direkt in Verbindung. Stickstoffgas wird über die
Stickstoffgasversorgungsleitung 39 aus einer Stickstoffgasguelle
(nicht gezeigt) in den schmalen Zwischenraum 40
eingeleitet, von wo aus das Gas durch die Katodenkammer 37 in die
Vakuumkammer 11 geleitet wird. Ein Ventil V wird benutzt,
um die Strömung von Stickstoffgas durch die
Versorgungsleitung 39 zu steuern.
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Das langgestreckte Teil 36 steht eine vorbestimmte Strecke
"x" über die verdampfbare Endoberfläche 35 der Katode vor,
um eine Katodenkammer 37 zu bilden. Die Erstreckung "x"
zwischen dem offenen Ende 41 des Teils 36 und der
verdampfbaren Endoberfläche 35 muß größer als null sein und bis zu
einem Maximum von beispielsweise etwa l3 cm Länge bei einer
Katode 15 mit einem Durchmesser von 6,35 cm reichen. Die
Strecke "x" wird ab der verdampfbaren Endoberfläche 35 der
Katode, wie in Fig. 3 gezeigt, bis zu dem offenen Ende 41
des langgestreckten Teils 36 gemessen. Die bevorzugte
Mindeststrecke "x" beträgt wenigstens etwa einen Zentimeter,
und der bevorzugte Bereich für "x" ist zwischen 2 bis 6 cm
für eine Katode mit einem Durchmesser von 6,35 cm. Ähnliche
Längenverhältnisse von "x 1, hier definiert als x/d, wobei
"d" die Hauptabmessung der verdampfbaren Endoberfläche 35
der Katode ist, müssen für alle Katodengeometrien
aufrechterhalten werden. Das Längenverhältnis muß größer als
null sein und bis zu einem Maximum von 2,0 gehen. Das
bevorzugte minimale Längenverhältnis beträgt wenigstens 0,07,
und der bevorzugte Bereich des Längenverhältnisses liegt
zwischen 0,3 und 1,0. Das kritische Erfordernis und die
Wichtigkeit der Ausnehmung der Katode 15 innerhalb des
Teils 36, um die Katodenkammer 37 zu bilden, wird in der
Beschreibung weiter unten ausführlicher erläutert. Das
langgestreckte Teil 36 kann vorzugsweise aus irgendeinem
Material bestehen, welches die Funktion des Magneten 33
beim Verteilen der Befestigung des elektrischen Lichtbogens
34 über der Lichtbogenverdampfungsoberfläche 35 nicht
behindert, und kann irgendein nichtmagnetisches Material
sein, das für Hochtemperaturvakuumbetrieb geeignet ist, zum
Beispiel nichtmagnetischer rostfreier Stahl.
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Das Objekt 14 ist auf einer Tragplatte 42 befestigt, die in
der Vakuumkarn ner 11 angeordnet und von der verdampfbaren
Endoberfläche 35 der Titankatode 15 beabstandet ist. Der
Typ des Gebildes, das zuin Abstützen oder Aufhängen des
Objekts 14 in der Vakuumkammer 11 benutzt wird, hängt von der
Größe, der Konfiguration und dem Gewicht des Objekts ab.
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Der Einfachheit halber ist das Objekt 14 mit einer
rechteckigen Geometrie gezeigt, wobei eine ebene Oberfläche der
Katodenverdampfungsendoberfläche 35 zugewandt ist. Es
sollte klar sein, daß das Objekt 14 irgendeine
Konfiguration haben kann und auf irgendeine Weise abgestützt sein
kann. Das Objekt 14 kann auch irgendeine geeignete
Zusammensetzung haben, die in der Lage ist, die
Vakuumbedingungen bei hoher Temperatur auszuhalten, welche in der Kammer
11 herrschen, und es kann aus Materialien wie
hochschmelzenden Metallen, Superlegierungen, rostfreien Stählen,
keramischen Verbundstoffen und Titanlegierung bestehen* Die
Tragplatte 42 sollte jedoch aus einem leitfähigen Material
bestehen und ist mit einem Metallstab 42 verbunden, der
sich durch einen isolierten
Hochspannungsdurchführungsanschluß 43 in der unteren Wand 17 des Mantels 10 erstreckt.
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Der Netallstab 42 ist mit der negativen Klemme einer
Vorspannungsstromversorgung 44 verbunden, welche außerhalb des
Mantels 10 angeordnet ist, wobei die positive Klemme der
Vorspannungsstromversorgung 44 mit der Seitenwand 18 über
die elektrische Anschlußleitung 31 verbunden ist.
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Die Vakuumkammer 11 kann weiter eine elektrisch isolierte
Oberfläche 70 enthalten, die gegenüber der verdampfbaren
Katodenendoberfläche 35 angeordnet ist, wobei das Objekt 14
und die Tragplatte 42 dazwischen angeordnet sind. Die
elektrisch isolierte Oberfläche 70 kann selbst aus einem
Isolatormaterial bestehen oder kann aus einem leitfähigen
Material bestehen, das von der Kammer 10 durch einen gezeigten
Isolator 71 isoliert ist. Diese elektrisch isolierte
Oberfläche 70 dient dazu, das Plasma in dem Kammervolumen 72
zwischen der Oberfläche 70 und der verdampfbaren
Katodenendoberfläche 35 im wesentlichen einzuschließen, wobei das
Objekt l4 vorgesehen wird, ohne daß die Oberfläche 70 Ionen
oder Elektroden aus dem Plasma anzieht, und weiter dazu
dient, eine Wechselwirkung zwischen Plasmas zu verhindern,
wenn mehrere Verdampfer in der Kammer 11 untergebracht
sind.
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Der Lichtbogenstrom wird von einer Hauptstromversorgung 46
geliefert, die außerhalb des Mantels 10 angeordnet ist. Die
Hauptstromversorgung 46 ist mit ihrer negativen Klemme mit
dem Katodentragblock 22 und mit ihrer positiven Klemme mit
der Seitenwand 18 verbunden. Der elektrische Lichtbogen 34
wird zwischen der Titankatode 15 und der Seitenwand 18 des
Mantels 10 gebildet. Die Seitenwand 18 repräsentiert die
Anode und kann mit Massepotential 45 über eine elektrische
Anschlußleitung 49 verbunden sein. Alternativ kann die
Anode aus einem anderen leitfähigen Teil (nicht gezeigt)
gebildet sein, das an der Seitenwand befestigt, von dieser
aber elektrisch getrennt ist. Die Geometrie dieser Anode
würde nicht kritisch sein. In letzterem Fall kann die
Lichtbogenleitung von dem Mantel 10 elektrisch isoliert
sein. Es ist außerdem klar, daß die Seitenwand 18 von den
anderen Wänden des Mantels 10 elektrisch isoliert werden
kann, indem isolierende Separatoren wie diejenigen, die bei
23 gezeigt sind, benutzt werden. Es ist außerdem klar, daß
die Anodenseitenwand 18 frei beweglich sein kann, wobei die
Masse bei 45 entfernt ist und die Mantelwände 16, 17 und 18
an Masse liegen.
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Irgendeine herkömmliche Lichtbogenzündprozedur kann benutzt
werden einschließlich körperlichen Kontaktierens der
Titankatodenendoberfläche 35 mit einer Drahtelektrode 50. Die
Drahtelektrode 50 ist mit der Anodenseitenwand 18 oder mit
einer separaten Anode (nicht gezeigt) über einen hohen
Widerstand R elektrisch verbunden. Darüber hinaus ist die
Drahtlelektrode 50 mit einer Stempelvorrichtung 53 über
eine isolierte Hülse 51 in dem Befestigungsflansch 25
verbunden. Die Stempelvorrichtung 53 bewegt die Drahtelektrode
in körperlichen Kontakt mit der Katodenendoberfläche 35 und
zieht sie dann zurück. Eine herkömmliche Stempelvorrichtung
zum Ausführen dieses Arbeitsganges ist in der US-A 4 448
799 gezeigt und beschrieben. Es kann jedoch irgendein
Mechanismus, der in der in der Lage ist, die
Zünddrahtelektrode 50 in Kontakt mit der Katode 15 zu bewegen und sie
zurückzuziehen, zum Ausführen der vorliegenden Erfindung
benutzt werden. Alternativ kann ein Lichtbogen durch andere
herkömmliche Methoden einschließlich Zünden mit
übertragenem Lichtbogen und Funkenzündung und Verwendung einer
Zündkerze gezündet werden.
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Beim Berührungszünden fließt, nachdem Kontakt zwischen der
Zünddrahtelektrode 50 und der Katode 15 hergestellt worden
ist, Strom von der Hauptstromversorgung 46 über die Katode
15 und die Drahtelektrode 50 zur Anodenseitenwand l8. Durch
Zurückziehen der Drahtelektrode 50 wird der Kontakt mit der
Katode 15 unterbrochen, um einen elektrischen Lichtbogen zu
bilden. Der hohe Widerstand R bewirkt, daß der Lichtbogen
auf die Anodenseitenwand 18 übertragen wird, welche ein mit
weniger Widerstand behafteter Weg als der Weg zu der
Drahtelektrode 50 ist.
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Das Plasma, das durch den Lichtbogen hoher Stromdichte
erzeugt wird, enthält Atome, Moleküle, ionisierte Atome und
ionisierte Moleküle der Titankatodenverdampfungsoberfläche
35 und ionisierte Spezies von Stickstoffgas. Das negative
Vorspannen des Objekts 14 in bezug auf die Anode l8 oder in
bezug sowohl auf die Anode 18 als auch die Katode 15
beeinflußt die Glätte, Gleichförmigkeit und
Oberflächenmorphologie des Überzugs. Die Vorspannungsstromversorgung sollte
auf ein Vorspannungspotential zum Optimieren des
Überzugsbetriebes eingestellt werden. Bei einem TiN-Überzug wird
ein Vorspannungspotential zwischen 100 und 200 Volt
bevorzugt.
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Stickstoffgas wird durch den Raum 40 in die Katodenkammer
37 geleitet, die das Volumen des Raums zwischen der
Katodenverdampfungsoberfläche 35 und dem offenen Ende 41 des
langgestreckten Teils 36 repräsentiert. Das Stickstoffgas
umhüllt den Lichtbogen hoher Stromdichte in der
Katodenkammer 37 über der Strecke "x", was zu einer Erhöhung von
Plasmadruck und -temperatur führt. Das Plasma erstreckt
sich von der Katodenverdampfungsendoberfläche 35 durch das
Gebiet relativ hohen Druckes in der Katodenkammer 37 und
tritt über das offene Ende 41 des langgestreckten Teils 36
in Richtung zu dem Gebiet relativ niedrigen Druckes in der
Vakuumkammer ll oder dem Kammervolumen 72 aus, wo das
negativ vorgespannte Substrat angeordnet ist. Ein zusätzlicher
Vorteil der Zuführung von Stickstoffgas über den schmalen
Raum 40 in die Katodenkammer 37 besteht darin, daß das
Stickstoffgas in dem Raum 40 als ein Isolator dient, um
eine Lichtbogenbildung von der Katode 15 zu dem Teil 36 zu
verhindern.
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Fig. 1 zeigt somit die wesentlichen Merkmale einer
reaktiven Lichtbogenaufdampfvorrichtung, die benutzt werden kann,
um einen Titannitridüberzug auf ein Titansubstrat
aufzutragen. Die Vorrichtung, die in Fig. 1 gezeigt ist, kann aber
benutzt werden, um eine Vielfalt von Titannitridüberzügen
aufzutragen, die unterschiedliche Eigenschaften haben,
wobei die überwiegende Mehrheit derselben für
Gasturbinentriebwerkszwecke nutzlos sein wird und die meisten von
ihnen tatsächlich für solche Zwecke nachteilig sein werden.
Der Entwickler der Vorrichtung arbeitete mit der
vorliegenden Anmelderin beim Auftragen von TiN-Überzügen auf
Verdichterschaufeln zusammen. Die Vorrichtungsentwickler
trachteten danach, die dünnst möglichen Überzüge zu
benutzen, 1 bis 5 um (Mikrometer). Es waren lediglich die
vorliegenden Erfinder, die die Bedeutung der Restspannungen in
dicken Überzügen erkannt haben.
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Titanverdichterhardware wird üblicherweise strahlverfestigt
und hat deshalb eine Restoberflächendruckspannung von
344,75 bis 689,5 MPa (50 bis 100 ksi), was hilft,
Ermüdungsrißeinleitung und -wachstum zu verzögern. Nur
Überzüge, die Restdruckspannungen haben, welche größer als die
vorher vorhandene Oberflächenrestspannung sind, werde nicht
die Dauerwechselfestigkeit reduzieren.
Restüberzugsdruck-Spannungen, die größer als die vorher vorhandenen
Oberflächendruckspannungen und vorzugsweise größer als 100 ksi
sind, sind erwünscht. Es ist außerdem erwünscht, daß die
Überzugsrestspannung die inhärente Substratrestspannung um
wenigstens 68,95 MPa (10 ksi) und vorzugsweise um
wenigstens 275,8 MPa (40 ksi) übersteigt.
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Restspannungen werden in Überzügen geeignet gemessen, indem
Röntgenbeugungstechniken benutzt werden, welche dem
Fachmann bestens bekannt sind. Alle kristallinen Substanzen
haben charakteristische Atomanordnungen, die Ebenen von
Atomen aufweisen, welche durch regelmäßig und gut definierte
Abstände getrennt sind. Wenn kristalline Materialien
beansprucht werden, werden diese charakteristischen
interatomaren planaren Abstände geändert. Röntgentechniken stehen zum
Messen dieser interplanaren Abstände und zum Berechnen der
Spannung zur Verfügung, welche in einer besonderen Probe
vorhanden ist, durch die die tatsächlichen interplanaren
Abstände gemessen und diese Werte mit Standardwerten aus
spannungsfreien Proben verglichen werden.
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In der vorliegenden Situation sind hohe Restdruckspannungen
erwünscht. Diese Restspannungen finden sich in
Titannitridüberzügen, die gemäß dem früher beschriebenen Verfahren
hergestellt worden sind. Übermäßiger Stickstoff, der an
interstitiellen Gitterorten vorhanden ist, verzerrt das
Überzugsgitter beträchtlich, wodurch eine Druckspannung erzeugt
wird. Mit mehr Stickstoff, der in dem Überzug vorhanden
ist, gibt es, wie erwartet würde, mehr Restdruckspannung.
Mehr Stickstoff kann in den Überzug diffundiert werden,
wenn der Gegenstand für eine lange Zeitspanne während des
Auftragens des Überzugs auf einer hohen Temperatur gehalten
wird. Das ist ein weiterer Weg zu sagen, daß hohe
Restdruckspannungen im allgemeinen in dicken
Titannitridüberzügen angetroffen werden.
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Fig. 2 zeigt das Ermüdungsverhalten bei hoher Lastspielzahl
von verschiedenen Titansubstraten, die mit
unterschiedlichen Dicken von Titannitrid überzogen sind, welche gemäß
der vorliegenden Erfindung hergestellt worden sind. Die
vertikale Achse zeigt das Ermüdungsverhalten bei hoher
Lastspielzahl für den überzogenen Gegenstand relativ zu dem
eines nichtüberzogenen Gegenstands. Es ist zu erkennen, daß
für Überzüge, die von 10 bis 25 um (Mikrometer) in der
Dicke reichen, das Ermüdungsverhalten bei hoher
Lastspielzahl im wesentlichen gleich dem der unüberzogenen Probe
ist. Dünnere Überzüge zeigten schlechtes Ermüdungsverhalten
bei hoher Lastspielzahl, und es wird erwartet, daß ähnliche
Verschlechterungen des Ermüdungsverhaltens bei hoher
Lastspielzahl bei dickeren Überzügen beobachtet werden. Dünne
Überzüge haben keine ausreichende Restspannung, um Ermüdung
zu widerstehen. Erwartungsgemäß werden dicke Überzüge durch
Abblättern ausfallen, da in dicken Überzügen die
vorhandenen Überzugsdefekte einen Ausfall entfernt von der
Überzugssubstratgrenz fläche verursachen werden.
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Fig. 3 zeigt den Einfluß eines Titannitridüberzugs, der
gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt worden ist, auf
die Erosionsbeständigkeit von Titanschaufeln, die in einem
Brennerprüfstand bei 482 - 510 ºC (900 - 950 ºF) mit dem
absichtlichen Zusatz 6 Gramm Aluminiumoxidteilchenmaterial
pro Minute getestet worden sind, um im Betrieb auftretenden
Verschleiß zu simulieren. Die Verbesserung, die aus dem
Titannitridüberzug resultiert, ist beträchtlich, insbesondere
in längeren Tests.
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Somit ist gemäß der vorliegenden Erfindung ein
Titannitridüberzug beschrieben worden, der Erosionsbeständigkeit
schafft, ohne die Dauerwechselfestigkeit zu reduzieren.