DE60005983T2

DE60005983T2 - Barriereschicht für einer mcraly-basisschicht-superlegierungskombination

Info

Publication number: DE60005983T2
Application number: DE60005983T
Authority: DE
Inventors: M. Stephen SABOL; G. John GOEDJEN; J. Steven VANCE
Original assignee: Siemens Westinghouse Power Corp
Current assignee: Siemens Energy Inc
Priority date: 1999-09-29
Filing date: 2000-08-24
Publication date: 2004-07-22
Anticipated expiration: 2020-08-25
Also published as: EP1216315B1; WO2001023643A3; EP1216315A2; WO2001023643A2; DE60005983D1; US6207297B1

Description

ÖFFENTLICHER AUFTRAG
Die Regierung der Vereinigten Staaten von Amerika besitzt die Rechte an der vorliegenden Erfindung gemäß Auftrag DE-AC05-950R22242, der vom Energieministerium der Vereinigten Staaten vergeben wurde.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine separate, zusammenhängende, dichte Sperrschicht zwischen einer Grundschicht oder einem Überzug aus MCrAlY und einer Turbinenkomponente aus Superlegierung, um die Abreicherung von Al aus dem MCrAlY durch Interdiffusion in die Superlegierung hinein zu verhindern und um die Interdiffusion von Elementen wie Ti, W, Ta und Hf aus der Superlegierung in die Beschichtung hinein zu verhindern.
Hintergrundinformation
In der Gasturbinenmotor-Industrie sind zahlreiche Überzugs- und Wärmedämmschichten als ein Mittel zum Schutz von aus Superlegierungen auf der Basis von Nickel und Kobalt bestehenden Komponenten, wie etwa Schaufeln und Leitschaufeln, vor den rauben, die Oxidation fördernden und heißen, die Korrosion fördernden Umgebungen während des Betriebs der Maschine bekannt. Beschichtungen können im Allgemeinen eingeteilt werden in Überzugs- und Diffusionsschichten, welche der Komponente aus Superlegierung lediglich Beständigkeit gegen Oxidation und Korrosion verleihen, und Wärmedämmschichten, welche eine verringerte Wärmeübertragung zwischen der heißen Gasströmung und der gekühlten Turbinenkomponente gewährleisten. Im Allgemeinen werden Wärmedämmschichten über einer Grundschicht aufgebracht, bei der es sich um eine Überzugsschicht oder eine Diffusionsschicht handelt.
Ein Typ einer Wärmedämmschicht wird in den US-Patenten Nr. 4.321.310 und 4.321.311 beschrieben. Wie dort beschrieben, wird eine Wärmedämmschicht auf eine Komponente (Trägermaterial) aus Superlegierung aufgetragen, indem zuerst eine MCrAlY-Metalllegierung aufgebracht wird, wobei M im Allgemeinen Nickel, Kobalt oder eine Kombination davon ist, indem die Oberfläche der MCrAlY-Legierung oxidiert wird, so dass an Ort und Stelle eine Aluminiumoxidschicht gebildet wird, und indem auf die Aluminiumoxidschicht eine keramische Wärmedämmschicht aufgetragen wird.
Bei anderen Typen von Wärmedämmschichten werden geordnete intermetallische Verbindungen als Grundschicht verwendet, wobei Aluminium aus der Gasphase (US-Patent Nr. 3.486.927) oder aus der flüssigen Phase (US-Patent Nr. 5.795.659) abgeschieden wird und wärmebehandelt wird, so dass eine intermetallische Aluminid-Diffusionsschicht (typischerweise Nickelaluminid NiAl, Kobaltaluminid CoAl oder gemischt (NilCo)Al) gebildet wird. Bei einer anderen Variante der Aluminid-Beschichtung erfolgt vor der Gasphasen-Aluminisierung ein Platinieren des Trägermaterials, so dass eine Grundschicht hergestellt wird, die reich an Platinaluminid (PtAl₂) ist (US-Patent 3.692.554). Zahlreiche andere Beispiele und Modifikationen sind in der Literatur und in US-Patenten zu finden.
In dem Wärmedämmschicht-System wird eine keramische Deckschicht verwendet, wie etwa mit Yttriumoxid stabilisiertes Zirkondioxid, welche über der Grundschicht aufgebracht wird. Die keramische Deckschicht wird typischerweise entweder durch physikalische Gasphasenabscheidung mittels Elektronenstrahl (electron beam physical vapor deposition, EB-PVD) oder durch Plasmaspritzen aufgebracht. Die Oberfläche der Grundschicht wird optimiert, um das Haftvermögen zwischen der Grundschicht und der verwendeten spezifischen keramischen Deckschicht zu optimieren. Bei EB-PVD wird die Grundschicht gewöhnlich poliert und voroxidiert, bevor die Abscheidung einer säulenartigen keramischen Wärmedämmschicht erfolgt. Dagegen ist für mittels Plasmaspritzen aufgebrachte Deckschichten eine raube Oberfläche der Grundschicht günstig, und die Bildung einer Aluminiumoxidschicht an Ort und Stelle vor der Aufbringung ist für sie nicht erforderlich. Für plasmagespritzte keramische Wärmedämmschichten sind Porosität und Mikrorisse erforderlich, damit sie deformierenden Beanspruchungen während des Betriebs standhalten können.
Unabhängig vom Typ des verwendeten Wärmedämmschicht-Systems ist die Nutzungsdauer von der Bildung und Erhaltung einer passiven Aluminiumoxidschicht an der Grenzfläche zwischen Grundschicht und Wärmedämmschicht abhängig. Die Aluminiumoxidschicht bildet sich an Ort und Stelle während der Fertigung und wächst während des nachfolgenden Betriebs, so dass eine Sauerstoff-Barriere gebildet wird, die eine weitere Verschlechterung des Zustands verhindert. Ähnlich ist bei Überzugsschichten (ohne eine Keramikschicht) die Oxidationsbeständigkeit von der Bildung und Erhaltung einer Aluminiumoxidschicht an der Oberfläche der Überzugsschicht abhängig.
Aluminium wird benötigt, um den passiven Aluminiumoxid-Überzug zu bilden, und bei der Bildung dieses Überzugs wird Aluminium aus der Grundschicht verbraucht. Aluminium wird auch während der Interdiffusion von Aluminium aus der Grundschicht in das Trägermaterial verbraucht. Wenn in der Grundschicht nicht ausreichend Aluminium verbleibt, um einen zusammenhängenden Aluminiumoxid-Überzug zu bilden und zu erhalten, kommt es zu einem Versagen der Grundschicht. Ferner kann eine Interdiffusion bestimmter Elemente, die Bestandteile der Superlegierung sind, in den passiven Aluminiumoxid-Überzug den Prozess der Verschlechterung des Zustands beschleunigen.
Taylor et al (US-Patent 5.455.199) untersuchen die Änderung der chemischen Zusammensetzung der Grundschicht-Legierung aus MCrAlY durch Beimengung von Schwermetallen wie etwa Tantal, Rhenium und/oder Platin in die Grundschicht, um die Diffusion und den Verlust von Aluminium durch dessen Interdiffusion in das Trägermaterial zu verlangsamen. Die verringerte Diffusivität verlangsamt wahrscheinlich auch die Bewegung von Aluminium zum Aluminiumoxid-Überzug, die notwendig ist, um den passiven Überzug zu bilden und zu erhalten. Ähnlich nahmen Czech et al (US-Patent 5.268.238) 1% bis 20% Rhenium in die chemische Zusammensetzung der Grundschicht auf, um die Interdiffusion zu verlangsamen und die Korrosionsbeständigkeit zu erhöhen. Ferner ist zu erwarten, dass die resultierende Beschichtung teuer ist, da die Schwermetalle in der gesamten Grundschicht-Legierung vorhanden sind.
Eine andere Möglichkeit besteht darin, eine Diffusionssperre an der Grenzschicht zwischen der MCrAlY-Grundschicht und der Superlegierung anzubringen. Zum Beispiel wird in der US-Patentschrift Nr. 4.321.311 (Strangman) eine Aluminid- oder Platinschicht als eine in Kontakt mit dem Trägermaterial befindliche Schicht erwähnt, welche die Haltbarkeit der Grundschicht gewährleistet. Die Verwendung einer Vielzahl von Schichten auf Chrombasis, die alle beständig gegenüber hohen Korrosionstemperaturen sind und bei denen Diffusionssperrschichten aus Titannitrid oder Titankarbid zwischen den Schichten vorhanden sind, zur Beschichtung von Turbinenschaufeln wird in der US-Patentschrift Nr. 5.499.905 (Schmitz et al.) gelehrt.
Leverant lehrt im US-Patent 5.556.713, dass Abscheidungen von atomarem Rhenium dazu beitragen, die Diffusion von Aluminium aus der Grundschicht heraus zu verlangsamen. Es wird eine submikroskopische Diffusionsablagerung von Rheniumatomen, die durch Vakuumkondensation von verdampftem Rhenium auf dem Superlegierungs-Trägermaterial bei gleichzeitigem Beschuss der Oberfläche des Trägermaterials mit einem energiereichen Strahl von inerten Ionen wie etwa Argon gebildet wird, verwendet, um ein ausreichendes Haften der Sperrschicht am Trägermaterial zu erzielen. Die abgelagerte Schicht aus atomarem Rhenium hat eine maximale Dicke von 1000 nm (1 Mikrometer) und ist vorzugsweise 0,05 Mikrometer bis 0,2 Mikrometer dick. Es hat den Anschein, dass dieses Verfahren teuer und langsam ist, und dass es hauptsächlich nur dazu anwendbar ist, die Diffusion von Al aus der Grundschicht heraus zu blockieren. Es hat außerdem den Anschein, dass es auf einfache Geometrien beschränkt ist, da es einen Beschuss mit einem Ionenstrahl einschließt und der Ionenstrahl bewirken könnte, dass deformierenden Beanspruchungen auf das Gefüge der Superlegierung einwirken.
Benötigt wird daher ein einziges Verfahren, um nicht nur die Diffusion von Elementen wie etwa Al in das aus Superlegierung bestehende Trägermaterial zu verhindern, sondern um auch die Diffusion von Ti, W. Ta und Hf aus der Superlegierung in die Grundschicht zu verhindern und dadurch einen Abbau des passiven Aluminiumoxid-Überzugs auf der Grundschicht durch Verwendung einer als Diffusionssperre wirkenden Stoffverbindung, welche auch ein ausreichendes Haftvermögen der Beschichtung ermöglicht, zu bewirken. Das Verfahren sollte kostengünstig sein und die Beschichtung von großen Turbinenkomponenten gestatten.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Deshalb besteht die Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung in der Bereitstellung einer verbesserten Diffusionssperrschicht, welche die Migration von Al, W, Ta und Hf zwischen der Grundschicht und der Trägermaterial-Legierung verhindert.
Eine andere Aufgabe dieser Erfindung ist es, eine Sperrschicht bereitzustellen, die auch eine ausreichende Diffusion ermöglicht, um ein sehr gutes Haften des Trägermaterials der Diffusionsschicht und der Grundschicht an der Diffusionssperre zu gewährleisten.
Diese und andere Aufgaben der Erfindung werden erfüllt, indem eine Turbinenkomponente bereitgestellt wird, die ein Trägermaterial, eine Grundschicht vom Typ MCrAlY, wobei M aus der Gruppe gewählt ist, die Co, Ni und deren Mischungen umfasst, und eine zusammenhängende dichte Sperrschicht zwischen dem Trägermaterial und der Grundschicht umfasst, wobei die Sperrschicht aus einer Legierung besteht, die aus der Gruppe gewählt ist, welche im Wesentlichen aus ReX, TaX, RuX und OsX besteht, wobei X aus der Gruppe gewählt ist, welche aus Ni, Co und Mischungen davon besteht, und wobei die Sperrschicht wenigstens 2 Mikrometer dick ist und als eine Sperre für die Diffusion von Stoffen durch sie hindurch sowohl aus dem Trägermaterial als auch aus der Grundschicht wirkt. Die Dicke der Beschichtung kann Werte im Bereich von 2 Mikrometern bis 25 Mikrometer (0,001 Zoll) haben, darf jedoch nicht so groß sein, dass sie ein ausreichendes Haften der Sperrschicht am Trägermaterial oder an der Grundschicht verhindert oder eine inhomogene Verteilung von Re, Ru, Ta oder Os zur Folge hat. M besteht vorzugsweise aus Co, Ni und dünnen Mischungen. Diese Grenzschicht verhindert nicht nur den Verlust von Al durch Diffusion in das aus Superlegierung bestehende Trägermaterial, sondern auch, was sehr wichtig ist, die Diffusion von "Fremdelementen" wie etwa Ti, W, Ta und Hf aus dem Trägermaterial in die Grundschicht, wo sie eine Verschlechterung des passiven Aluminiumoxid-Überzugs verursachen und dadurch die Lebensdauer der Beschichtung begrenzen können. Die Sperrschicht kann sowohl auf kleine als auch auf große Turbinenkomponenten mit einfacher oder komplizierter Geometrie aufgetragen werden, wobei in der Industrie bekannte Verfahren angewendet werden können, einschließlich Galvanisieren und physikalische Gasphasenabscheidung.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Diese und weitere Vorteile der Erfindung aus der nachfolgenden Beschreibung noch deutlicher ersichtlich, die unter Bezugnahme auf die Zeichnungen gegeben wird, wobei:
1 eine Perspektivansicht einer Turbinenschaufel ist, die mit Schutzschichten beschichtet ist, um gegen Wärme, Oxidation und Erosion in einer Betriebsumgebung, in der hohe thermische Beanspruchungen einwirken, widerstandsfähiger zu sein; und
2, welche die Erfindung am besten zeigt, eine Teilschnittansicht einer Turbinenkomponente wie etwa einer Turbinenschaufel ist, welche die erfindungsgemäße Sperrschicht zwischen der Grundschicht und dem darunter befindlichen Trägermaterial zeigt.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Es wird nun auf 1 Bezug genommen; in ihr ist eine Komponente einer Turbine dargestellt. Die Turbinenschaufel 10 weist eine Eintrittskante 12 und einen Schaufelblattabschnitt 14 auf, gegen den während des Betriebs der Turbine heiße Brenngase gelenkt werden und der starken thermischen Beanspruchungen, Oxidation und Korrosion ausgesetzt ist. Am Fußende 16 der Schaufel ist die Schaufel verankert. Es können durch die Schaufel hindurchführende Kühldurchflussöffnungen 18 vorhanden sein, um zu ermöglichen, dass durch Kühlluft Wärme von der Schaufel abgeführt wird. Die Schaufel selbst kann aus einer hochwarmfesten Superlegierung auf der Basis von Nickel oder Kobalt gefertigt sein, wie etwa einer Kombination aus Ni.Cr.Al.Co-Ta.Mo.W oder, als ein spezielleres Beispiel, aus einer Stoffverbindung aus, in Gewichtsanteilen ausgedrückt, 10% Co; 8,4% Cr; 0,65% Mo; 10% W; 3,3% Ta; 1,05% Ti; 5,5% Al und 1,4% Hf, mit geringen Mengen an Zr, C und B in einer Ni-Matrix (bekannt unter der Handelsbezeichnung "Legierung MAR-M247"). Während des Einsatzes bei hohen Temperaturen haben wir festgestellt, dass jeweils geringe Mengen der Anteile von Ti, W, Ta und Hf in die darüber befindlichen Beschichtungen an der Kante und am Schaufelblattabschnitt der Turbinenschaufel diffundieren. Die Kombination aller vier Elemente summiert sich zu einem bedeutenden Diffusionseffekt.
Eine Grundschicht 20 würde den Körper der Turbinenschaufel bedecken, und diese Grundschicht könnte von einer Wärmedämmschicht bedeckt sein. Die erfindungsgemäße Sperrschicht kann, ebenso wie die Grundschicht und die Wärmedämmschicht, auf einer großen Vielfalt von anderen Komponenten von Turbinen verwendet werden, die bei Turbinen verwendet werden, wie etwa Turbinenleitschaufeln, Schaufeln oder ähnliches, die groß sein und eine komplexe Geometrie aufweisen können, oder auf einen beliebigen Trägermaterial, das zum Beispiel aus Metall oder Keramik besteht, wo ein Wärmeschutz erforderlich ist.
2 zeigt ein Beispiel eines möglichen Wärmedämmschichtsystems zum Schutz des Trägermaterials 22 einer Turbinenkomponente, wie etwa des Superlegierungs-Kerns einer Turbinenschaufel. Eine Grundschicht 24 aus einer Legierung vom Typ MCrAlY kann als eine abschließende Schutzschicht oder als eine Zwischenschicht, wie abgebildet, verwendet werden, wobei M ("Metall") in der Legierung gewöhnlich aus der Gruppe gewählt ist, die aus Ni, Co, Fe und deren Mischungen besteht, und wobei Y hier als ein Element definiert ist, bei dem es sich um Yttrium (Y) ebenso wie um La oder Hf handeln kann. Diese Schicht kann durch Kathodenzerstäubung (Sputtering), Aufdampfung mittels Elektronenstrahl oder eines aus einer Anzahl von Verfahren des thermischen Spritzens, zu denen Niederdruck-Plasmaspritzen, Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen und ähnliches gehören, aufgebracht werden, so dass eine relativ gleichförmige Schicht mit einer Dicke von ungefähr 0,0025 cm bis 0,050 cm (0,001 Zoll bis 0,020 Zoll) hergestellt wird. Diese Schicht kann anschließend poliert werden, um eine glatte Oberflächenbeschaffenheit zu gewährleisten. Ein Zweck dieser Schicht besteht darin, dafür zu sorgen, dass sich bei Wärmebehandlung ein Oxidüberzug 26, überwiegend aus Aluminiumoxid, mit einer Dicke von ungefähr 0,3 Mikrometern bis 5 Mikrometer bildet, um das Trägermaterial 22 zusätzlich vor oxidierenden Einwirkungen zu schützen.
Gewöhnlich kann während des Betriebs der Turbinenkomponente bei hohen Temperaturen, wie etwa beim Betrieb einer Turbinenleitschaufel bei Temperaturen, die möglicherweise bei 1100°C bis 1200°C liegen, eine erhebliche Migration von Al aus der Grundschicht sowie eine Migration von wenigstens einem und gewöhnlich zwei oder mehr von den Elementen Ti, W, Ta und Hf aus dem Trägermaterial auftreten, wie zuvor beschrieben. Die Migration und die anschließende Oxidation von Al kann eine Zunahme der Dicke in dem Oxidüberzug 26 verursachen, die Spannungen hervorruft, falls eine abschließende Wärmedämmschicht 30 verwendet wird, und kann die Schutzfunktion der Grundschicht selbst beeinträchtigen. Die Migration der Kombination von Ti, W, Ta und Hf ebenso wie von anderen Elementen in dem aus Superlegierung bestehenden Trägermaterial kann zu einer Wechselwirkung mit dem Oxidüberzug 26 führen und dessen Zustand durch Diffusion und Beimengung der Oxide dieser Elemente, insbesondere von TiO₂, innerhalb der Korngrenzen des Aluminiumoxid-Überzugs beeinträchtigen und dadurch die Lebensdauer der Beschichtung stark beschränken.
Die Verwendung einer leicht aufzutragenden, recht dicken, eigenständigen, zusammenhängenden, im Wesentlichen nicht porösen Schicht 28, die als eine Sperre für die Diffusion von Stoffen durch sie hindurch sowohl vom Trägermaterial 22 als auch von der Grundschicht 24 aus wirkt, löst eine Vielzahl von Problemen innerhalb der Schichten der auf das Trägermaterial aufgetragenen Beschichtung. Diese Schicht 28 besteht aus einer Legierung, welche aus der aus ReX, TaX, RuX und OsX oder (Re, Ta, Ru, Os)X bestehenden Gruppe gewählt ist, wobei X aus der Gruppe von Ni, Co und Mischungen davon gewählt ist. Vorzugsweise ist die Legierung ReX oder TaX, das heißt, eine der Legierungen ReNi, ReCo, TaNi, TaCo oder ihrer Mischungen. Die Beschichtungsdicke dieser Sperrschicht kann im Bereich von 2 Mikrometern bis zu 25 Mikrometern (0,001 Zoll) liegen, vorzugsweise von 2 Mikrometern bis zu 10 Mikrometern. Bei Dicken von mehr als 25 Mikrometern werden sowohl das Haftvermögen der Grundschicht an der Sperrschicht als auch das Haftvermögen der Sperrschicht am Trägermaterial beeinträchtigt. Dies liegt daran, dass bei einer so großen Dicke jeder Unterschied in den Wärmeausdehnungszahlen zwischen den verschiedenen Schichten sich während des Betriebs verstärkt auswirkt. Bei einer Dicke von weniger als 2 Mikrometern können Ti, W, Ta und Hf bei Temperaturen in der Größenordnung von 1000°C oder mehr leicht vom Trägermaterial aus in die Grundschicht eindringen. Auch kann bei einer Dicke unterhalb dieses Wertes eine lange andauernde Einwirkung hoher Temperaturen dazu führen, dass die Sperrschicht nicht mehr zusammenhängend ist und sich eventuell auflöst oder in die Grundschicht eindringt, und der gesamte Schutz geht verloren. Innerhalb der oben angegeben Grenzen ist die Schicht als eine Sperre wirksam, das heißt, die Diffusion erfolgt mit einer wesentlich langsameren Geschwindigkeit als ohne die Schicht, so dass zu Beginn eine nahezu 100%-ige Sperre vorhanden ist; im Verlaufe der Lebensdauer der Beschichtung beginnt jedoch dann langsam die Diffusion.
Die praktische Realisierung der vorliegenden Erfindung erfordert die Vorbereitung der Oberfläche des Trägermaterials, die Aufbringung einer Sperrschicht, die Aufbringung einer Grundschicht vom Typ MCrAlY und möglicherweise die Aufbringung einer keramischen Wärmedämmschicht. Das Verfahren kann, muss aber nicht Zwischen-Wärmebehandlungen umfassen, die dazu dienen, das Haften der Schichten oder die Vorbereitung der Oberfläche für die anschließende Aufbringung einer Schicht zu unterstützen, wie etwa bei der Voroxidation des MCrAlY vor der Abscheidung der Wärmedämmschicht mittels EB-PVD.
Vorzugsweise wird das Trägermaterial zunächst mit Hilfe eines Lösungsmittels behandelt, um Verunreinigungen der Oberfläche wie Schmutz, Fett oder anhaftenden Strahlsand zu entfernen, wonach die Aufbringung der erforderlichen Sperrschicht-Legierung erfolgt. Die Sperrschicht kann durch Galvanisieren oder durch physikalische Gasphasenabscheidung aufgebracht werden und sollte im Wesentlichen nicht porös sein, das heißt, über etwa 90% der theoretischen Dichte bis etwa 100% der theoretischen Dichte aufweisen (0% bis 10% porös) und am besten, falls möglich, eine Dichte von 100% aufweisen, um eine Migration von Al, Ti, W, Ta und Hf wirksam zu verhindern. Die Verteilung von Re, Ta, Ru oder Os sollten gleichmäßig und homogen über die gesamte Dicke der Sperrschicht sein, und die Zusammensetzung der Legierung (Re, Ta, Ru, Os)X sollte in den atomaren Bereichen von (Re, Ta, Ru, Os)_p=0,3–0,95X_1–p liegen, das heißt, (Re, Ta, Ru, Os)p (wobei p = etwa 30 bis etwa 95 Atomprozent)X(100 Atomprozent -p).
Falls p größer ist als etwa 95 Atomprozent der Legierung, kann bei einem minimalen Vorhandensein von Ni und/oder Co an der Grenzfläche der Superlegierung keine ausreichende metallurgische Bindung zwischen dem Trägermaterial und der Grundschicht vorhanden sein, und diese kann nicht optimiert werden. Falls p kleiner ist als etwa 30 Atomprozent der Legierung, beginnt die Zusammensetzung der Sperrschicht in vielerlei Hinsicht der Zusammensetzung der als Trägermaterial dienenden Superlegierung zu ähneln, und die Sperrschicht ermöglicht dann ein erhebliches Eindringen von Ti, W, Ta und Hf.
Die Unversehrtheit der Oxid-Überzugschicht 26 ist auch für das Haftvermögen einer eventuellen äußeren Wärmedämmungs-Deckschicht 30 sehr wichtig, die zur Anwendung kommen kann. Diese Wärmedämmschicht kann mit einem beliebigen Verfahren aufgebracht werden, das ein gutes Haftvermögen gewährleistet, bis zu einer Dicke, die bewirkt, dass der erforderliche Wärmeschutz für das Trägermaterial und die Grundschicht sichergestellt wird, gewöhnlich in der Größenordnung von ca. 50 Mikrometern bis ca. 350 Mikrometer. Zum Beispiel wird diese keramische Wärmedämmungs-Deckschicht 30 vorteilhafterweise durch physikalische Gasphasenabscheidung mittels Elektronenstrahl ("EB-PVD") aufgebracht, welche gewöhnlich ein säulenariges Gefüge liefert, das im Wesentlichen senkrecht zur Oberfläche des Trägermaterials orientiert ist. Es kann auch ein Verfahren des Plasmaspritzens angewendet werden. In manchen Fällen kann es von Nutzen sein, eine zweite Sperrschicht, die zur Schicht 28 ähnlich ist, zwischen der Oxid-Überzugschicht 26 und der äußeren Wärmedämmschicht 30 anzubringen.
Die Erfindung wird nun durch Betrachtung des folgenden Beispiels noch näher erläutert.
BEISPIEL
Beispiel 1: Mehrere verschiedene Diffusionssperren wurden unter Verwendung einer aus Rhenium-Nickel-Legierungen bestehenden Diffusionssperre durch Abscheidung der Diffusionssperre mittels EB-PVD-Abscheidung der Diffusionssperre hergestellt. Trägermaterialien aus IN939 (22%Cr-19%Co-2%W-1%Cb-3,7%Ti-1,9%Al-1,4%Ta-0,15%C) wurden sandgestrahlt, um Verunreinigungen der Oberfläche zu entfernen, zu denen Schmutz, Fett, Oberflächenoxidation oder andere Verunreinigungen gehörten.
Das Strahlmittel wurde anschließend mit Hilfe eines organischen Lösungsmittels (Methanol) von der Oberfläche abgewaschen, bevor das Einsetzen in eine EB-PVD-Beschichtungskammer erfolgte. Das Trägermaterial wurde auf 900°C vorgewärmt, bevor die Auftragung einer entweder 5 um oder 10 um dicken Diffusionssperrschicht erfolgte. Durch gemeinsame Verdampfung von reinem Nickel und reinem Rhenium aus zwei mittels Elektronenstrahl erhitzten Quellen unter Vakuum wurde eine Rhenium-Nickel-Legierung abgeschieden. Durch Änderung der Stärke des Elektronenstrahls für jedes der Bäder und des Abstands des Trägermaterials vom jeweiligen Bad war es möglich, Sperrschichten mit einem Rheniumgehalt von 5 bis 70 Gewichts % Rhenium nach dem vollständig en Beschichtungszyklus zu erhalten. Bei der bevorzugten Ausführungsform beträgt der Rheniumgehalt der Sperrschicht 40 bis 60%. Nach der Aufbringung der Diffusionssperre wurde unter Verwendung von Niederdruck-Plasmaspritzen eine MCrAlIY-Grundschicht aufgebracht, die aus Co-32Ni-21 Cr-8A1-0,5Y bestand, und das System wurde bei 1080°C vier Stunden lang wärmebehandelt. Danach wurde mittels Luft-Plasmaspritzen eine Wärmedämmungs-Deckschicht aus mit 7% Yttriumoxid stabilisiertem Zirkondioxid aufgetragen.
Beispiel 2: Bei einer anderen Ausführungsform wurde das aus Superlegierung bestehende Trägermaterial mit Hilfe eines organischen Lösungsmittels entfettet und poliert, bevor durch physikalische Gasphasenabscheidung mittels Elektronenstrahl eine 5 um dicke Diffusionssperre aufgebracht wurde. Anschließend wurde mittels Luft-Plasmaspritzen eine MCrAlY-Schicht aufgetragen, es erfolgte 4 Stunden lang einer Diffusions-Wärmebehandlung bei 1080°C, und es wurde unter Anwendung von Luft-Plasmaspritzen eine Wärmedämmschicht aufgetragen.
Beispiel 3: Bei einer anderen Ausführungsform wurden Diffusionssperren aus Legierungen verwendet, die aus Tantal und Nickel bestanden. Trägermaterialien aus Superlegierung wurden sandgestrahlt und gewaschen, um Verunreinigungen der Oberfläche zu entfernen, auf 900°C vorgewärmt und durch gleichzeitige Abscheidung durch physikalische Gasphasenabscheidung mittels Elektronenstrahl mit einer 5 um dicken Tantal-Nickel-Diffusionssperre beschichtet. Die Konzentrationen von Tantal können durch Steuerung der Erwärmung der Tantal- und der Nickel-Quelle und durch die Anordnung der Trägermaterialien innerhalb der Beschichtungskammer variiert werden. Bei der bevorzugten Ausführungsform weist die Diffusionssperre eine Konzentration von 60 bis 90% auf. Nach der Aufbringung der Diffusionssperre wurde mittels Niederdruck-Plasmaspritzen eine MCrAlY-Grundschicht aufgebracht, und das System wurde bei 1080°C vier Stunden lang wärmebehandelt. Danach wurde mittels Luft-Plasmaspritzen eine Wärmedämmungs-Deckschicht aus mit 7% Yttriumoxid stabilisiertem Zirkondioxid aufgetragen.
Obwohl spezielle Ausführungsformen der Erfindung im Einzelnen beschrieben wurden, ist für Fachleute klar, dass verschiedene Änderungen und Alternativen zu diesen Einzelheiten im Rahmen der Grundideen der Erfindung entwickelt werden könnten. Dementsprechend sind die offenbarten speziellen Anordnungen nur als Beispiele zu verstehen und schränken den Umfang der Erfindung nicht ein, welcher durch den gesamten Umfang der beigefügten Ansprüche und sämtliche Entsprechungen derselben bestimmt wird.

Claims

Turbinenkomponente, die aus einem Trägermaterial (22), einer Grundschicht (24) vom Typ MCrAlY, wobei M aus der Gruppe gewählt ist, die aus Co, Ni und deren Mischungen besteht, und einer zusammenhängenden, dichten Sperrschicht (28) zwischen dem Trägermaterial und der Grundschicht besteht, wobei die Sperrschicht (28) aus einer Legierung besteht, die aus der Gruppe gewählt ist, welche im Wesentlichen aus ReX, TaX, RuX und OsX besteht, wobei X aus der Gruppe gewählt ist, welche aus Ni, Co und Mischungen davon besteht, und wobei die Sperrschicht (28) wenigstens 2 Mikrometer dick ist und als Sperre für die Diffusion von Stoffen durch sie hindurch sowohl vom Trägermaterial als auch von der Grundschicht aus wirkt.
Turbinenkomponente nach Anspruch 1, wobei das Trägermaterial (22) eine Superlegierung ist.
Turbinenkomponente nach Anspruch 1, wobei die Dicke der Sperrschicht (28) im Bereich von 2 Mikrometern bis 25 Mikrometer liegt.
Turbinenkomponente nach Anspruch 1, wobei die Sperrschicht (28) die Bewegung von Al, das aus der Grundschicht (24) zum Trägermaterial (22) diffundiert, und/oder von wenigstens einem der Elemente Ti, W, Ta und Hf das aus dem Trägermaterial (22) zur Grundschicht (24) diffundiert, hemmt.
Turbinenkomponente nach Anspruch 1, wobei die Dicke der Sperrschicht (28) im Bereich von 2 Mikrometern bis 10 Mikrometer liegt und die Sperrschicht eine Dichte aufweist, die über etwa 90% der theoretischen Dichte beträgt.
Turbinenkomponente nach Anspruch 1, wobei in der Legierung der Sperrschicht Re, Ta, Ru und/oder Os in einer Menge von etwa 30 bis etwa 95 Atomprozent vorhanden ist.
Turbinenkomponente nach Anspruch 1, wobei die Grundschicht (24) eine Oxid-Überzugschicht aufweist und die Sperrschicht eine Sperre für wenigstens eines der Elemente Ti, W, Ta und Hf ist, das vom Trägermaterial aus durch die Grundschicht hindurch diffundiert, um mit der Oxid-Überzugschicht in Wechselwirkung zu treten.
Turbinenkomponente nach Anspruch 1, wobei die Grundschicht eine Deckschicht einer Oxid-Überzugschicht (26) und eine äußere Wärmedämmschicht (30) aufweist, die mit der Oxid-Überzugschicht in Kontakt ist.
Turbinenkomponente, die aus einem Trägermaterial (22), einer Grundschicht (24) vom Typ MCrAlY, wobei M aus der Gruppe gewählt ist, die aus Co, Ni und deren Mischungen besteht, und einer zusammenhängenden, dichten Spenschicht (28) zwischen dem Trägermaterial und der Grundschicht besteht, wobei die Sperrschicht (28) aus einer Legierung besteht, die aus der Gruppe gewählt ist, welche aus ReX, TaX, RuX und OsX besteht, wobei X aus der Gruppe gewählt ist, welche aus Ni, Co und Mischungen davon besteht, und wobei die Sperrschicht eine Dichte, die über etwa 95% der theoretischen Dichte beträgt, und eine Dicke im Bereich von 2 Mikrometern bis 10 Mikrometer aufweist und eine wirksame Sperre ist für Al, das aus der Grundschicht (24) zum Trägermaterial (22) diffundiert, und für wenigstens eines der Elemente Ti, W, Ta und Hf, das vom Trägermaterial (22) aus zur Grundschicht (24) diffundiert.
Turbinenkomponente, die aus einem Trägermaterial (22) und einer Grundschicht (24) vom Typ MCrAlY besteht, wobei unmittelbar über der Grundschicht die Aufbringung einer als Diffusionssperre wirkenden Legierung (28) erfolgt, wobei etwa 30 bis 95 Atomprozent Re, Ta, Ru oder Os in der Legierung vorhanden sind.