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Diese
Erfindung bezieht sich allgemein auf Komponenten des heißen Abschnittes
von Gasturbinen-Triebwerken und besonders auf ein CVD-Aluminierungsverfahren
zum Herstellen eines modifizierten Platinaluminid-Bindeüberzuges
zum verbesserten Betriebsverhalten bei hoher Temperatur.
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In
Gasturbinen-Triebwerken, zum Beispiel Flugzeug-Triebwerken, wird Luft in das Vorderteil
des Triebwerkes eingezogen, durch einen auf einer Welle montierten
Rotationskompressor komprimiert und mit Treibstoff vermischt. Die
Mischung wird verbrannt, und die heißen Abgase werden durch eine
auf einer Welle montierte Turbine geleitet. Die Gasströmung dreht
die Turbine, die ihrerseits die Welle dreht und den Kompressor antreibt.
Die heißen
Abgase strömen
aus dem rückwärtigen Teil
der Turbine und liefern den Schub, der das Flugzeug vorwärts bewegt.
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Während des
Betriebes von Gasturbinen-Triebwerken können die Temperaturen von Verbrennungsgasen
1649°C (3000°F) übersteigen,
was beträchtlich
höher ist
als die Schmelztemperaturen der Metallteile des Triebwerkes, die
sich in Kontakt mit diesen Gasen befinden. Die Metallteile, die
besonders hohen Temperaturen ausgesetzt sind und daher besonderer
Aufmerksamkeit hinsichtlich des Kühlens bedürfen, sind die den Verbrennungsgasen ausgesetzten
Komponenten des heißen
Abschnittes oder der heißen
Sektion, wie Lauf- und Leitschaufeln, die zum Lenken der Strömung der
heißen
Gase benutzt werden, sowie andere Komponenten, wie Mäntel und
Brenner.
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Je
heißer
die Verbrennungsgase, um so wirksamer ist der Betrieb des Strahltriebwerkes.
Es gibt daher einen Anreiz, die Abgastemperatur zu erhöhen. Die
Maximaltemperatur der Abgase ist jedoch normalerweise durch die
Materialien begrenzt, die zur Herstellung der Komponenten des heißen Abschnittes
der Turbine benutzt werden. Bei derzeitigen Triebwerken sind die
Komponenten des heißen
Abschnittes, wie die Turbinen-Leitschaufeln
und -Laufschaufeln, aus Superlegierungen auf Cobalt- und Nickelbasis
hergestellt, und sie können
bei Temperaturen bis zu 1093–1260°C (2000–2300°F) betrieben werden.
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Die
Metalltemperaturen können
mit derzeitigen Kühltechniken
unter Schmelzniveaus gehalten werden, indem man eine Kombination
verbesserter Kühldesigns
und Wärmesperren-Überzüge benutzt. Bei einer Art des
Herangehens wird ein Wärmesperren-Überzugssystem
auf die metallische Turbinenkomponente aufgebracht, die das Substrat
wird. Das Wärmesperren-Überzugssystem schließt einen
keramischen Wärmesperren-Überzug ein, der auf die äußere Oberfläche von
Metallteilen innerhalb von Triebwerken aufgebracht wird, um die Übertragung
von Wärme
von heißen
Verbrennungsgasen auf die Metallteile zu verhindern und so die Komponente
von dem heißen
Abgas zu isolieren. Dies gestattet es, dass das Abgas heißer ist,
als es sonst bei dem speziellen Material und Herstellungsverfahren
möglich wäre.
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Wärmesperren-Überzüge (TBCs,
Thermal Barrier Coatings) sind bekannte Keramiküberzüge, zum Beispiel Yttrium-stabilisiertes
Zirkoniumdioxid. Keramische Wärmesperren-Überzüge haften üblicherweise
nicht optimal direkt an den Superlegierungen, die in den Substraten
benutzt werden. Daher wird eine zusätzliche Metallschicht, die
als Bindeüberzug
bezeichnet wird, zum Beispiel durch chemische Dampfabscheidung (CVD,
Chemical Vapor Deposition), zwischen dem Substrat und dem TBC angeordnet,
um die Haftung des TBC an der darunter liegenden Komponente zu verbessern.
In einer Ausführungsform
wird der Bindeüberzug
aus einem Diffusions-Nickelaluminid oder -Platinaluminid hergestellt,
dessen Oberfläche,
zusätzlich
zur Verbesserung der Haftung des Keramik-TBC, unter Bildung einer
schützenden
Aluminiumoxidhaut oxidiert.
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Die
Bindeüberzugs-Temperatur
ist kritisch für
die Lebensdauer des TBC und wurde auf 1149°C (2100°F) begrenzt. Nachdem der Bindeüberzug diese
Temperatur übersteigt,
kann sich das Überzugssystem
rasch verschlechtern, was zur Abtrennung des TBS vom Bindeüberzug führt. Die
Zugabe geringer Mengen reaktionsfähiger Elemente, wie Hf, Si,
Zr und Y, zu Platinaluminid-Überzügen hat
das Betriebsverhalten solcher Überzüge verbessert.
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US-PS 5,658,614 von Basta
et al. offenbart ein Verfahren zum Verbessern der Oxidationsbeständigkeit
eines Platinmodifizierten Aluminid-Überzuges, der auf ein Substrat
aus Superlegierung auf Nickelbasis aufgebracht ist. In einer Ausführungsform wurde
ein Hafnium-modifizierter Aluminid-Überzug unter Benutzung einer Überzugs-Gasmischung
aus Aluminiumtrichlorid, Wasserstoff und Hafniumchlorid gebildet.
Die erste Überzugs-Gasmischung
wurde außerhalb
einer Retorte erzeugt, die das Platin-plattierte Werkstück hielt,
das zu überziehen
war, indem man Wasserstoff und Chlorwaserstoff über eine reine Quelle von Aluminium
leitete. In einem separaten Generator außerhalb der Retorte wurde eine
zweite Mischung aus Ar und HCl erzeugt, die auch ein reines Hafniumbett
enthielt, wodurch Hafniumchlorid gebildet wurde. Die Mischungen
wurden dann gleichzeitig in die Überzugs-Retorte eingeführt, wobei
ein Hafnium-modifizierter, nach außen wachsender einphasiger
Aluminid-Überzug
gebildet wurde, während
die Gase über
das Werkstück
strömten
und Hf und Al abschieden.
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US-PS 5,989,733 von Warnes
et al. ist auf einen nach außen
wachsenden Platinaluminid-CVD-Diffussionsüberzug auf einem Superlegierungs-Substrat
auf Nickel- oder Cobaltbasis gerichtet, wobei der Platin-modifizierte
Aluminid-Diffusionsüberzug
dahingehend modifiziert ist, dass er eine Kombination von Hafnium
und Silicium in einer Konzentration von etwa 0,01 Gew.-% bis etwa
8 Gew.-% der äußeren Zusatzschicht
des Überzuges
einschließt.
Die Überzugs-Gasmischung
wurde außerhalb
durch Leiten von hochreinem Wasserstoff und hochreinem Chlorwasserstoff über eine
hochreine Quelle von Aluminium und anschließendes Leiten der Mischung über eine
hochreine Quelle von Silicium erzeugt, wobei beide Quellen bei 290°C (544°F) und außerhalb
der Retorte vorlagen. Eine Mischung von Ar und HCl wurde in einem äußeren Chloridgenerator
durch ein Hafniumbett bei 430°C
(806°F)
geleitet. Beide Überzugs-Gasmischungen
wurden dann gleichzeitig in die Retorte eingeführt.
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Die
frühere
Praxis des modifizierten Platinaluminid-Bindeüberzuges, wie beispielhaft
durch die vorgenannten US-Patentschriften
angegeben, schließt
das Erzeugen von zwei oder mehr unterschiedlichen Überzugs-Gasmischungen
in mehreren externen Gasgeneratoren und das gleichzeitige Einleiten
dieser Mischungen in die Retorte ein.
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US-PS
Nr. 5,667,663 von Rickerby et al. offenbart ein Verfahren zum Ankleben
einer keramischen TBC-Schicht an einem Superlegierungs-Gegenstand,
der eine vorbestimmte Aluminium menge enthält. Nach dem Aufbringen einer
Platinschicht auf den Superlegierungs-Gegenstand und Wärmebehandeln
des Gegenstandes diffundiert das Aluminium aus dem Superlegierungs-Gegenstand in das Platin.
In einer Ausführungsform
wird Hafnium durch chemische Dampfabscheidung bis zu einem Niveau von
0,8 Gew.-% zu der Platinschicht hinzugegeben. Die Abscheidung von
Aluminium durch CVD ist nicht offenbart.
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Benötigt werden
verbesserte Verfahren zum Aufbringen dieser durch ein reaktionsfähiges Element
modifizierten Diffusions-Bindeüberzugs-Systeme.
Die vorliegende Erfindung erfüllt
diesen Bedarf und liefert weitere damit zusammenhängende Vorteile.
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In
einer Ausführungsform
liefert die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Abscheiden eines
modifizierten Platinaluminid-Diffusionsüberzuges auf einem Superlegierungs-Substrat,
umfassend die Schritte: Aufbringen einer Schicht eines Pt-Gruppenmetalles
auf mindestens einer Oberfläche
des Superlegierungs-Substrates; Anordnen des mit Pt-Gruppenmetall überzogenen
Superlegierungs-Substrates in einer CVD-Retorte (2); Erzeugen eines
Al-Halogenidgases in einem externen Gasgenerator (4); Erzeugen
eines modifizierten Halogenidgases eines reaktionsfähigen Metalles
durch Leiten eines Teiles des Al-Halogenidgases, das in dem externen
Gasgenerator (4) erzeugt wurde, in einen internen Gasgenerator,
von dem sich ein Teil in die Retorte erstreckt und der mindestens
ein reaktionsfähiges
Metall enthält,
um ein modifiziertes Halogenidgas eines reaktionsfähigen Metalles
herzustellen, wobei der interne Gasgenerator zwischen dem äußeren Gasgenerator
und der Retorte angeordnet ist; Vermischen des Al-Halogenidgases
und des modifizierten Halogenidgases des reaktionsfähigen Metal les
miteinander; Leiten der Mischung aus dem Al-Halogenidgas und dem
Halogenidgas des reaktionsfähigen
Metalles über
das Pt-Gruppen-plattierte Superlegierungs-Substrat in der Retorte
(2) für
eine vorgewählte
Zeitdauer bei einer vorausgewählten
Temperatur und gemeinsames Abscheiden von Al und des reaktionsfähigen Metalles
auf dem Pt-Gruppen-plattierten Superlegierungs-Substrat zum Bilden
eines mit dem reaktionsfähigen
Metall modifizierten Platingruppenaluminid-Überzuges über dem Substrat. Reaktionsfähige Metalle,
wie der Begriff hier benutzt wird, schließen Zr, Hf, V, Nb, Ta, Y, La
und Ce ein. Das reaktionsfähige
Metall wird durch das Aluminiumhalogenidgas zur Bildung einer Mischung
von Aluminiumhalogenidgas und mindestens einer Art eines Halogenidgases
eines reaktionsfähigen
Metalles aktiviert. Auf diese Weise werden ein reaktionsfähiges Metall
und Aluminium durch ein internes Gaserzeugungsverfahren auf den
zu überziehenden
Teilen gemeinsam abgeschieden, während
die Gase über
die Teile strömen,
um eine modifizierte einphasige Zusatzschicht von Platinaluminid
herzustellen.
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Die
vorliegende Erfindung liefert auch eine Vorrichtung zum gemeinsamen
Abscheiden reaktionsfähiger
Metalle und Aluminium auf einem Superlegierungs-Substrat, umfassend:
eine zum Aufnehmen des Substrates geeignete Retorte (2);
eine zum Erhitzen der Retorte auf eine erste erhöhte Temperatur geeignete Einrichtung;
eine Quelle von Halogenidgas; eine Quelle von Al innerhalb eines
externen Gasgenerators (4); eine Einrichtung zum Erhitzen des
externen Gasgenerators (4) auf eine zweite erhöhte Temperatur;
eine Einrichtung (6) zum Einführen des Halogenidgases in
den externen Gasgenerator (4) bei ausgewählten Drucken,
um ein Al-Halogenidgas zu bilden; einen internen Gasgenerator (8), der
zwischen dem externen Gasgene rator (4) und der Retorte
(2) angeordnet ist; eine Strömungsmittelleitung zum Fördern von
Al-Halogenidgas von dem externen Gasgenerator (4) durch
den internen Gasgenerator (8) zur Retorte (2)
und eine Quelle von reaktionsfähigem
Metall (22) im internen Gasgenerator, um ein Halogenidgas
reaktionsfähigen
Metalles zu erzeugen.
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In
einer Ausführungsform
liefert das Verfahren der vorliegenden Erfindung einen chemischen Dampf,
der als nach außen
wachsender Platinaluminid-Diffusionsüberzug auf einem Superlegierungs-Substrat
auf Nickel- oder Cobaltbasis abgeschieden wird, wobei Hafnium und
Aluminium durch ein internes Gaserzeugungsverfahren auf den Platin-plattierten
Teilen gemeinsam abgeschieden werden, um eine einphasige Zusatzschicht
aus Platinaluminid mit bis zu etwa 0,5 Gew.-% Hafnium und etwa 1
bis etwa 15 Gew.-% Hafnium in der Grenzschicht zwischen der Diffusionsschicht
und der Zusatzschicht zu erzeugen.
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In
noch einer anderen Ausführungsform kann
das Verfahren gemäß der vorliegenden
Erfindung dazu benutzt werden, ein TBC-System zur Anwendung auf
ein Superlegierungs-Substrat zu liefern, das im heißen Abschnitt
eines Gasturbinen-Triebwerkes eingesetzt wird. Ein Schicht aus einem
Platingruppenmetall wird zuerst auf das Superlegierungs-Substrat
aufgebracht. Ein modifizierter Platinaluminid-Diffusionsüberzug wird
durch Aufbringen von Aluminium und mindestens einem reaktionsfähigen Metall,
wie Hafnium, durch gemeinsame Abscheidung aufgebracht, wobei die
chemische Dampfabscheidung des Platingruppenmetalles benutzt wird, wobei
der Überzug
eine einphasige Zusatzschicht von Platinaluminid mit mindestens
etwa 1 Gew.-% Hafnium und etwa 0,1 bis etwa 15 Gew.-% Hafnium in
der durch die Diffusionsschicht zwischen dem Substrat und der Zusatzschicht
gebildeten Grenzschicht umfasst, und wobei ein keramischer Wärmesperr-Überzug auf
dem modifizierten Platinaluminid-Diffusionsüberzug aufgebracht wird. Die
Menge des reaktionsfähigen
Metalles in Gew.-% variiert in Abhängigkeit von der ausgewählten Art.
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Während im
Stand der Technik Überzugs-Gasmischungen
aus Hafniumchlorid und Aluminiumchlorid extern separat erzeugt und
dann gemeinsam in die Retorte eingeführt werden, wodurch sich Hafnium
und Aluminium abscheiden, während sie über das
Werkstück
strömen,
gibt es in der vorliegenden Erfindung nur einen externen Gasgenerator, der
die Gase erzeugt, die sowohl das reaktionsfähige Metall als auch das Aluminium
enthalten. In der Zusatzschicht gibt es eine relativ geringe Konzentration des
reaktionsfähigen
Metalles, so dass das reaktionsfähige
Metall in Lösung
mit Platin und Aluminium vorliegt.
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Ein
Vorteil der vorliegenden Erfindung ist es, dass das nach dieser
Erfindung erzeugte Überzugssystem
eine verlängerte
Gebrauchslebensdauer zeigt, die sich aus der verbesserten Abspalt-Beständigkeit
des TBC-Systems ergibt.
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Ein
anderer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist es, dass das Verfahren
aus einer einzigen Stufe besteht, die zusätzlich die internen und externen
Oberflächen
eines zu überziehenden
Gegenstandes mit dem modifizierten Platinaluminid-Überzug überzieht. Dieses Einstufen-Verfahren
gestattet Kostenersparnisse während
des Herstellungs-Verfahrens.
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Noch
ein anderer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist es, dass das
interne Gaserzeugungs-Verfahren die Möglichkeit der Modifikation
existierender CVD-Reaktoren zur Erzeugung von mit reaktionsfähigem Metall
modifizierten Überzügen ohne
die Hinzufügung
neuer externer Gaserzeugungssysteme schafft.
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Noch
ein anderer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist es, dass das
Verfahren leicht zur Anwendung bei Schaufelmaterial-Reparaturoperationen
angepasst werden kann. Es ist vorteilhaft, die Möglichkeit zu haben, einen beschädigten Abschnitt
einer Schaufel zu reparieren, statt den gesamten TBC-Überzug zu entfernen und vollständig einen TBC-Überzug auf
das gesamte Teil wieder aufzubringen und dort zu binden.
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Ein
weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist es, dass die CVD-Überzugsvorrichtung
und das Verfahren vereinfacht werden können, da die Vorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung nur einen externen Gasgenerator erfordert.
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Fortgesetzte
und häufig
miteinander in Beziehung stehende Verbesserungen der Verfahren und
Materialien, wie die Verbesserungen der vorliegenden Erfindung,
können
Kostenersparnisse und große
Zunahmen in der Leistungsfähigkeit
von Vorrichtungen, wie Flugzeug-Gasturbinentriebwerken, ergeben.
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Andere
Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der
folgenden detaillierteren Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform in
Verbindung mit der beigefügten
Zeichnung deutlich, die beispielhaft die Prinzipien der Erfindung
darstellt.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNG
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1 zeigt
eine schematische Darstellung eines CVD-Systems einer Variante der vorliegenden Erfindung
und
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2 zeigt
einen Querschnitt bei A-A des internen Gasgenerators von 1.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Bezugnehmend
auf die Figuren, in denen gleiche Teile gleiche Bezugsziffern aufweisen,
ist gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung in 1 eine schematische
Darstellung eines CVD-Systems einer erfindungsgemäßen Art gezeigt.
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Zu überziehende
(nicht gezeigte) Gegenstände,
z.B. Komponenten, die Umgebungs-Überzüge und/oder
Wärmesperr-Überzugssysteme
erfordern, wurden nach dem Aufbringen einer Platinschicht auf den
Gegenstand unter Benutzung bekannter Verfahren, z.B. Elektroplattieren,
gefolgt von einer wahlweisen Diffusions-Wärmebehandlung, in einer Retorte 2 befestigt.
Wird eine wahlweise Diffusions-Wärmebehandlung
ausgeführt,
dann kann eine Mischung aus Pt, PtAl2 und
NiAl hergestellt werden. Diese wahlweise Diffusionsschicht kann
in das Substrat wachsen, während
Al und Ni aus dem Substrat nach außen diffundieren. Diese Komponenten
können,
z.B., Komponenten, die im heißen
Abschnitt eines Gasturbinen-Triebwerkes, z.B. einem Strahltriebwerk,
wie z.B. Turbinen-Laufschaufeln und -Leitschaufeln, Brenner, Mäntel und
andere solche Komponenten, sein.
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Ein
externer Generator 4, der eine Gasströmung aus Gaseinlässen 6 empfängt, wurde
zur Herstellung von Aluminiumtrichloridgas mittels im Stande der
Technik gut bekannten CVD-Verfahren benutzt. Eine Quelle von Halogenidgas
wird in den externen Generator eingeführt, der eine Aluminiumquelle
einschließt.
Der Generator wird mittels einer Wärmequelle bei einer erhöhten Temperatur
gehalten, um die Bildung von AlCl3 zu gestatten.
Das extern erzeugte AlCl3-Gas wurde durch
einen internen Gasgenerator 8 hindurchgeführt. Der
interne Generator 8 hatte die Form einer Anordnung 20 von
sieben Rohren 22, die, wie in 2 gezeigt,
konfiguriert waren, um als eine Strömungsmittelleitung vom externen
Generator zur Retorte zu wirken, so dass mindestens ein Teil der
Anordnung innerhalb der Retorte 2 angeordnet war, die auch
durch eine unabhängige Wärmequelle
auf eine erhöhte
Temperatur erhitzt werden kann, um die Zersetzungsrate des Metalles aus
Gasen zu steuern, wie erläutert
werden wird. Der Teil der Rohre 22, der innerhalb der Retorte
angeordnet ist, wurde in einer Weise und an einer Stelle perforiert,
die die Abgabe aktiven Gases direkt in die Retorte 2 gestattete.
Eine ausgewählte
Anzahl, drei in der bevorzugten Ausführungsform, der äußeren Rohre 22 wurde
mit Hafnium-Metallspänen
(Chips) gefüllt,
wie in 2 gezeigt. Die Anzahl der gefüllten Rohre und die Menge der
reaktionsfähigen
Metallspäne
in jedem Rohr kann variiert werden, um den erwünschten Partialdruck des reaktionsfähigen Metallhalogenides
zu erzeugen, der die Konzentration des auf den Teilen in der Retorte
abgeschiedenen reaktionsfähigen
Metalles beeinflusst.
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In
der bevorzugten Ausführungsform
wurde das in dem externen Generator 4 erzeugte AlCl3-Gas über
diese Hafniumspäne
geleitet, was zu einer Erzeugung eines Hafniumchloridgases intern
innerhalb der Retorte 2 führte. Es wird angenommen, dass
das Hafniumchloridgas höchstwahrscheinlich
HfCl4 mit etwas niedrigen Hafniumchloriden
war. Mindestens ein Teil des AlCl3 wurde
zu entweder einem Dichlorid oder einem Monochlorid reduziert. Während es höchstwahrscheinlich
eine Mischung verschiedener Metallchloride war, war es kritisch,
dass wenigstens einige der Aluminiumchloride aus dem externen Generator 4 in
der bevorzugten Ausführungsform
das Hafniummetall aktivierten, das innerhalb der Rohre enthalten
war, und dass man das Aluminiumchlorid- und Hafniumchlorid-Gas sich
gut mischen ließ,
bevor die zu überziehenden
Gegenstände
erreicht wurden. Ein inertes Trägergas,
z.B. Wasserstoff, Helium, Argon oder Stickstoff, wurde mit AlCl3 durch die übrigen vier Rohre der Anordnung
geschickt. Auf diese Weise wurden die Gase gründlich gemischt, und sowohl Aluminium
als auch Hafnium wurden gemeinsam auf dem Teil abgeschieden, ohne
dass zwei externe Generatoren erforderlich waren.
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Der
resultierende Zusatzüberzug
bestand aus einem einphasigen Gefüge, das, wie gezeigt wurde,
die Ofenzyklus-Testlebensdauer
des modifizierten Platinaluminid-Bindeüberzuges signifikant verlängerte.
Eine einphasige Zusatzschicht aus Platinaluminid wurde mit mindestens
etwa 0,1 Gew.-% Hf und etwa 0,1 bis etwa 15 Gew.-% Hf in dem Überzug unmittelbar
unterhalb der Zusatzschicht in dem äußersten Abschnitt der Diffusionsschicht
hergestellt. Das Hf und Al diffundieren von der Zusatzschicht nach
innen, während
auch etwas abgeschiedenes Pt und Ni aus dem Substrat durch die Zusatzschicht
zu ihrer äußeren Oberfläche diffundieren.
Der Aluminiumgehalt des Überzuges
ebenso wie der Platingehalt des Überzuges
können
durch Einstellen ihrer Mengen in der Zusatzschicht auf jede betriebsfähige Menge
eingestellt werden. Die einphasige Natur der Zusatzschicht trat,
wie angenommen wird, auf, weil das Hafnium und Aluminium in Lösung vorliegen. In
der Diffusionszone unmittelbar unterhalb der Zusatzschicht fällt, wie
ange nommen wird, das Hafnium aus der Lösung aus, so dass folglich
die Hafniummenge dieser Region von der Menge in der einphasigen
Zusatzschicht von so wenig wie 0,1 Gew.-% Hf bis zu 15 Gew.-% Hf
variieren kann.
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Ein
Wärmesperren-Überzug (TBC),
wie Yttrium-stabilisiertes Zirkoniumdioxid (YSZ), kann über dem
modifizierten Platinaluminid-Bindeüberzug der vorliegenden Erfindung
unter Anwendung im Stande der Technik bekannter Techniken abgeschieden
werden.
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In
der in 2 dargestellten bevorzugten Ausführungsform
ist der interne Generator in Form von sieben Rohren ausgebildet,
von denen drei mit Hafniumspänen
gefüllt
sind, um den Überzug
mit der obigen Zusammensetzung herzustellen. Der Fachmann wird verstehen,
dass die Anzahl der Rohre, wie gewünscht, erhöht oder vermindert werden kann.
Der Fachmann wird weiter verstehen, dass der Partialdruck der reaktionsfähigen Metallgase,
die an die Retorte geliefert werden, durch Erhöhen oder Vermindern der Anzahl
der Rohre, die das reaktionsfähige Metall
enthalten, variiert werden kann. Der Partialdruck kann durch Erhöhen oder
Vermindern der Menge und Größe des reaktionsfähigen Metallmaterials in
den Rohren geregelt werden, über
die das Halogenidgas hinwegströmen
muss. Durch Erhöhen
oder Vermindern der verfügbaren
Oberfläche
des vorhandenen reaktionsfähigen
Metalles wird die Aktivität
der Reaktion zwischen dem reaktionsfähigen Metall und dem Chloridgas
erhöht
oder vermindert, und die Abscheidungsrate kann gesteuert werden.
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Die
Zusammensetzung des Überzuges
wird auch dahingehend modifiziert, dass er mehr als ein reaktionsfähiges Metall
einschließt,
wenn erwünscht. Wenn
es zum Beispiel erwünscht ist,
dass die Zusammensetzung des Überzuges
mehrere reaktionsfähige
Metalle einschließt,
dann können
diese reaktionsfähigen
Metalle durch Hinzufügen
von Spänen oder
Teilchen der erwünschten
Metalle zu einem oder mehreren der in 2 gezeigten
Rohre zu der Zusammensetzung hinzugefügt werden. Wenn es zum Beispiel
erwünscht
ist, dass der Überzug
Nb und Ta zusätzlich
zu Hf enthält,
dann können
die Rohre des internen Späne
vor. Hf, Ta und Nb einschließen,
die in die Chloride jedes dieser Elemente umgewandelt werden können, während AlCl3 über
die Metallspäne geleitet
wird. Der erwünschte
Partialdruck und folglich die Menge jedes reaktionsfähigen Elements
in dem Überzug
kann durch Regulierung der Menge der Metallspäne in den Rohren eingestellt
werden. Mehr Rohre enthalten zusätzliche
Mengen dieser hinzugegebenen reaktionsfähigen Metalle, oder es werden zusätzliche
Metalle hinzugegeben, um sowohl die erwünschte Zusammensetzung als
auch Konzentration in dem Überzug
zu erzielen.
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Nach
dem Aufbringen der Zusatzschicht in jedem dieser Beispiele wird
natürlich
eine zusätzliche Wärmebehandlung
von etwa ein bis etwa vier Stunden bei Temperaturen von etwa 1800–2000°F (etwa 982–1093°C) angewendet,
um zusätzliche
Diffusion von Elementen aus der Zusatzschicht in die Diffusionsschicht
ebenso wie das Wachstum der Diffusionsschicht zu gestatten, damit
Elemente, wie Pt und Ni, in die Zusatzschicht diffundieren können, falls
dies erwünscht
ist, bevor ein TBC aufgebracht wird. Die wahlweise Wärmebehandlung
ist jedoch nicht notwendig, da genügend Diffusion auftritt, während sich das
Substrat während
der CVD-Behandlung innerhalb der Retorte befindet. Weil das CVD-Verfahren bei
Temperaturen zwischen 1800 und 2200°F (982 und 1204°C) für Zeitdauern
von ein bis vier Stunden ausgeführt
wird, gibt es genügend
Zeit bei er höhten Temperaturen,
damit Diffusion stattfinden kann und sich eine Diffusionsschicht
zwischen der Zusatzschicht und dem unbeeinflussten Substrat bilden kann.
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Die
folgenden beiden Beispiele zeigen, dass Hafnium-modifizierte Platinaluminid-Bindeüberzüge, die
nach der Erfindung hergestellt wurden, zu signifikanten Verbesserungen
hinsichtlich Ofenzyklus-Testlebensdauer und folglich zu einer erhöhten Bindefestigkeit
bei 2125°F
(1163°C)
führten.
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Eine
Probe von 20 Teststücken
wurde unter Benutzung einer Zusammensetzung von Rene N5-Superlegierung
hergestellt, die nominell 7,7 Gew.-% Co; 6,2 Gew.-% Al; 7 Gew.-%
Cr; 6,5 Gew.-% Ta; 5 Gew.-% W; 1,5 Gew.-% Mo; 3 Gew.-% Re; 0,15
Gew.-% Hf; 0,5 Gew.-% maximal Y; 0,05 Gew.-% C; 63,1 Gew.-% Ni und
40 ppm B aufweist. Alle Proben wiesen eine Schicht von Platin auf,
die durch Elektroplattieren, gefolgt von einer Wärmebehandlung im Temperaturbereich
von etwa 1800–2000°F (982–1093°C) für etwa ein
bis vier Stunden, wie im Stande der Technik gut bekannt, aufgebracht
wurde, um eine Dicke von etwa 7,62 μm (0,3 mils) herzustellen.
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Drei
Proben erhielten einen Platinaluminid-Bindeüberzug unter Anwendung der
chemischen Dampfabscheidung nach dem Stande der Technik, um Vergleichsprodukte
zu erhalten.
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BEISPIEL 1
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Neun
Teststücke
wurden in einer Retorte angeordnet und auf eine Temperatur von etwa
1100°C (2012°F) erhitzt.
Unter Benutzung des Verfahrens der vorliegenden Erfindung wurden
drei der äußeren Rohre
des internen Gasgenerators der 2 vollständig mit
Hafniumspänen
gefüllt.
AlCl3-Gas wurde den mit Hafnium gefüllten Rohren
des internen Gasgenerators von einem externen Al-Gasgenerator nach
dem Stande der Technik bei einer Temperatur von etwa 450°C (842°F) und einer
Strömungsrate von
etwa 3 l/min (lpm) zugeführt.
Wasserstoff-Trägergas wurde
durch das zentrale Rohr mit etwa 189 l/min, durch die inaktiven
internen Rohre (solche ohne Hafniumspäne) bei etwa 19 l/min und durch
die aktiven internen Rohre (solche, die Hafniumspäne enthielten)
bei etwa 47 l/min für
insgesamt etwa 480 Minuten geleitet (was Aufwärmen/Spülen/Beenden nicht einschloss).
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Nach
dem Aufbringen des modifizierten Platinaluminid-Bindeüberzuges gemäß der vorliegenden Erfindung
wurden die neun Teststücke
und die drei Vergleichsstücke
einem Ofenzyklus-Test unterworfen. Jeder Zyklus des Ofenzyklustests
bestand aus einem Erhitzen des Stückes auf etwa 1163°C (2125°F) über eine
Dauer von 10 Minuten, Halten des Stückes bei einer Temperatur von
etwa 1163°C (2125°F) für eine Dauer
von etwa 45 Minuten und Abkühlenlassen
des Stückes
auf eine Temperatur von etwa 93°C
(200°F) über eine
Dauer von 9 Minuten. Dieser Zyklus wurde wiederholt, bis ein Bindeversagen
auftrat.
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Die
Vergleichsstücke
hatten eine mittlere Ofenzyklustest (FCT, Furnace Cycle Test)-Lebensdauer
von 240 Zyklen, während
der modifizierte Platinaluminid-Bindeüberzug der vorliegenden Erfindung
eine mittlere FCT-Lebensdauer von 818 Zyklen aufwies, was deutlich
eine Verbesserung der FCT-Lebensdauer darstellt (und eine erhöhte Bindefestigkeit
repräsentiert).
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BEISPIEL 2
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Acht
Teststücke
wurden in einer Retorte angeordnet und auf eine Temperatur von etwa
1100°C (2012°F) erhitzt.
Unter Anwendung des Verfahrens der vorliegenden Erfindung wurden
drei der äußeren Rohre
des internen Gasgenerators von 2 zu etwa
drei Viertel mit Hafniumspäne
gefüllt.
AlCl3-Gas wurde von einem herkömmlichen
externen Al-Gasgenerator bei einer Temperatur von etwa 450°C (842°F) und einer
Strömungsrate
von etwa 3 l/min (lpm) den Hafnium-gefüllten Rohren des internen Gasgenerators
zugeführt.
Wasserstoff-Trägergas wurde
durch das zentrale Rohr mit etwa 189 l/min, durch die inaktiven
internen Rohre (solche ohne Hafniumspäne) mit etwa 19 l/min und durch
die aktiven internen Rohre (solche, die Hafniumspäne enthielten)
mit etwa 47 l/min für
insgesamt etwa 480 Minuten geleitet (Aufwärmen/Spülen/Abschalten nicht eingeschlossen).
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Nach
dem Aufbringen des modifizierten Platinaluminid-Bindeüberzuges gemäß der vorliegenden Erfindung
wurden die acht Teststücke
dem Ofenzyklustest unterworfen, wie in Beispiel 1 beschrieben, und
mit der FCT-Lebensdauer der drei Vergleichsstücke verglichen, wie in Beispiel
1 beschrieben.
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Der
modifizierte Platinaluminid-Bindeüberzug hatte eine mittlere
FCT-Lebensdauer von 1008 Zyklen, verglichen mit der mittleren FCT-Lebensdauer
von 240 Zyklen für
die Vergleichsstücke,
was deutlich eine weitere Verbesserung in der FCT-Lebensdauer (die
eine weiter verbesserte Bindefestigkeit repräsentiert) zeigte.
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Ein
Hauptfaktor bei der Erzielung der Vorteile der vorliegenden Erfindung
ist, dass das Aluminium und die reaktionsfähigen Metalle, wie Hafnium,
gemeinsam in Lösung
als eine einzige Phase in der Zusatzschicht unter Anwendung nur
eines externen Gasgenerators abgeschieden werden.
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Es
wird angenommen, dass die Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung
auch erfolgreich auf Superlegierungs-Substrate auf Cobaltbasis anwendbar
sind.
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Ein
weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist es, dass das Verfahren
die Möglichkeit
zur Modifikation existierender CVD-Reaktoren bietet, um Hafnium-modifizierte Überzüge oder Überzüge herzustellen,
die mehrere reaktionsfähige
Metalle aufweisen, und dies ohne Hinzufügung neuer externer Gaserzeugungssysteme.
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Obwohl
die vorliegende Erfindung im Zusammenhang mit spezifischen Beispielen
und Ausführungsformen
beschrieben wurde, wird der Fachmann erkennen, dass die vorliegende
Erfindung innerhalb ihres Schutzumfangs zu Variationen und Modifikationen
fähig ist.
Obwohl, z.B., Hf-Modifiziermittel als ein Beispiel benutzt wurden,
wird davon ausgegangen, dass andere reaktionsfähige Metall-Modifiziermittel
einzeln anstelle von Hf oder in Kombination mit Hf und sich selbst,
wie erwünscht,
benutzt werden können.