DE60118356T2

DE60118356T2 - Mehrschichtsperrüberzuge

Info

Publication number: DE60118356T2
Application number: DE60118356T
Authority: DE
Inventors: Kartik Winnipeg SHANKER
Original assignee: Standard Aero Ltd
Current assignee: Standard Aero Ltd
Priority date: 2000-04-27
Filing date: 2001-04-25
Publication date: 2006-12-07
Anticipated expiration: 2021-04-26
Also published as: DE60118356D1; ES2261400T3; US6794059B2; HK1052204A1; JP4221178B2; EP1276917B1; WO2001083851A1; EP1276917A1; JP4709249B2; AU2001254575A1; ATE321900T1; CA2306941A1; JP2003531966A; JP2008248393A; US20030138659A1

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gegenstand, der für den Angriff von umgebungsbedingten Verunreinigungen unter Hochtemperaturbedingungen beständig ist, wobei der Gegenstand von dem Typ ist, der ein Metalllegierungsteil, eine auf dem Metalllegierungsteil abgeschiedene Wärmesperrbeschichtung und einen auf der Wärmesperrbeschichtung abgeschiedenen Schutzüberzug aus einem anderen Material als das Material der Wärmesperrbeschichtung aufweist.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gegenstände dieses Typs werden z.B. als unter Hochtemperaturbedingungen betriebene Metalllegierungsteile in Gasturbinenmotoren verwendet. Die Wärmesperrbeschichtungen reduzieren während des Motorbetriebs den Wärmestrom in das beschichtete Metallteil und ermöglichen, dass das Metallteil kühler als der Gasstrom betrieben wird, wodurch die Lebensdauer des Teils verlängert und eine durch Zulassen von höheren Gastemperaturen höhere Verbrennungseffizienz ermöglicht wird.
Herkömmliche Wärmesperrbeschichtungen sind aus Keramikmaterialien, z.B. chemisch stabilisiertem Zirkoniumoxid, einschließlich mit Yttriumoxid stabilisierten Zirkoniumoxids (YSZ), mit Scandiumoxid stabilisierten Zirkoniumoxids, mit Calciumoxid stabilisierten Zirkoniumoxids und Magnesium-Zirkoniumoxid, zusammengesetzt, wobei YSZ die Wärmesperrbeschichtung der Wahl ist. Diese Beschichtungen werden an die Oberfläche des Metallteils oder an eine Metallbindungszwischenbeschichtung gebunden.
Eine herkömmliche Wärmesperrbeschichtung ist porös. Sie enthält gewöhnlich einen Porositätsgrad im Bereich von 3-20%. Die Poren und jegliche kleine Mikrorisse, die ebenfalls im Material vorliegen, sind nicht gut miteinander verbunden. Deshalb steht umgebungsbedingten Verunreinigungen kein Weg von der Beschichtungsoberfläche zur Metall-Keramik-Grenzfläche zur Verfügung. Bei Verwendung verlängern sich diese kleinen Mikrorisse und stellen anschließend einen leichten oder direkteren Weg bereit, damit Verunreinigungen die Metalloberfläche erreichen. Die Verbreiterung und Verlängerung von Mikrorissen erfolgt aufgrund einer Kombination von betriebsbedingten Faktoren, einschließlich, jedoch nicht beschränkt auf hohe Temperatur, hohen Druck, Beschichtungserosion durch teilchenförmige Stoffe, Teilchenaufprall, chemische Reaktionen und Spannungen, die durch die Differentialwärmeausdehnung verursacht werden. Einige Gase können auch mit der Wärmesperrbeschichtung reagieren, um geschmolzene Salze zu bilden, die die Mikrorisse und damit verbundene Poren wirksam durchdringen können. Ein Anschließendes Versagen der Beschichtung, das auch als Entlaminierung oder Abplatzen bezeichnet werden kann, ist ein Ergebnis der Korrosion des Metalls an der Metall-Keramik-Grenzfläche oder innerhalb der sich neben dem Metall befindenden Keramikschicht.
Der Stand der Technik beschreibt bestimmte Techniken, die darauf zielen, eine Beschädigung der Wärmesperrbeschichtungen zu verhindern oder zu reduzieren, wodurch die Betriebsdauer der geschützten Metallteile verlängert wird.
Es gibt massenhaft Informationen, die im Hinblick auf zahlreiche, wechselnde Verfahren zum Erhöhen des Wärmeschutzes des Ausgangsmetalls und/oder Verlängern der Lebensdauer der Keramikbeschichtungen verfügbar sind. Dies beinhaltet Daten in der freien Literatur [Journal of Thermal Spray Technology, Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, Engineered Materials Handbook, Band 4 (Ceramics & Glasses), Abschnitt 11 (ASM international, 1991) usw.] und patentgeschützte Daten. Beschichtungen, die aus einer Metallbindungsschicht mit einem einzigen wärmeisolierenden Keramiküberzug bestehen, konzentrierten sich im Allgemeinen auf verbesserte oxidationsbeständige Metallbindungsbeschichtungen und stärker auf erosions-, korrosions- oder temperaturwechselbeständige Keramikbeschichtungen. Bei der Verwendung von 8% mit Yttriumoxid stabilisiertem Zirkoniumoxid statt 20% mit Yttriumoxid stabilisiertem Zirkoniumoxid und die Entwicklung von mit Ceroxid stabilisiertem Zirkoniumoxid [Siemers et al, US-Patentschrift Nr. 4,238,285 (1982)] handelt es sich um typische Beispiele. Bruce et al., US-Patentschrift Nr. 5,683,761 offenbart die Verwendung (in bestimmten Anwendungen) von reinem alpha-Aluminiumoxid als Mittel zum Erhalt einer höheren Erosionsbeständigkeit und einer niedrigeren Dichte (als Zirkoniumoxid). Gleichermaßen wurden nivellierte Schichten zur verbesserten Temperaturwechselbeständigkeit verwendet. Diese Vorgehensweisen weisen alle keine einzelne Keramikbeschichtung auf. Auch versagen diese Beschichtungen vor dem Versagen von unter ihnen liegenden Schichten. Sie sind „Opfer"-Beschichtungen.
Hasz et al., US-Patentschriften Nr. 5,871,820, erteilt am 16. Februar 1999, und 5,851,676, erteilt am 22. Dezember 1998, beschreiben ein Verfahren zum Schützen einer Wärmesperrbeschichtung vor umgebungsbedingten Verunreinigungen und eine durch das Verfahren geschützte Beschichtung. Ein Überzug in Form einer undurchlässigen, nicht porösen Sperrbeschichtung ist auf der Oberfläche der Wärmesperrbeschichtung abgeschieden. Diese nicht poröse, undurchlässige Sperrbeschichtung soll verhindern, dass die umgebungsbedingten Verunreinigungen mit der Keramikwärmesperrbeschichtung in Kontakt kommen.
Die an Hasz et al. am 30. Juni 1998 erteilte US-Patentschrift Nr. 5,773,141 beschreibt die Bereitstellung eines Überzugs in Form einer einzelnen Schutzschicht aus einem Opfer-Oxid oder reaktiven Oxid, das die Außenfläche der Wärmesperrbeschichtung überzieht. Die Opfer-Schicht reagiert mit flüssigen Verunreinigungen, um die Viskosität oder Schmelztemperatur dieser Verunreinigungen zu erhöhen. Dies hemmt den chemischen Angriff auf die darunter liegende Wärmesperre. Da diese Schutzschicht mit der Umgebung reagiert und mit fortdauernder Verwendung fortschreitend verringert wird, gilt sie als opfernd und wird die Wärmesperrbeschichtung für eine beschränkte Zeitdauer schützen.
Bruce et al., US-Patentschrift Nr. 5,683,761 offenbaren die Verwendung von reinem alpha-Aluminiumoxid als Überzug auf Zirkoniumoxid-Keramik-Beschichtungen. Die alpha-Aluminiumoxidbeschichtung wird zum Erhöhen der Erosionsbeständigkeit verwendet und versagt durch Erosion oder Rissbildung, bevor die darunter liegende Zirkoniumoxidbeschichtung angegriffen wird. Das heißt, es handelt sich hierbei um eine Opfer-Beschichtung. Gleichermaßen beschreiben Voss et al., US-Patentschrift Nr. 6,006,516 die Verwendung von Mullit mit niedriger Porosität auf Zirkoniumoxid zum Bereitstellen einer chemisch inerten Oberfläche. Diese Mullitbeschichtung muss eine geringere Porosität als das darunter liegende Zirkoniumoxid aufweisen, glatter als das Zirkoniumoxid sein und vor dem darunter liegendem Zirkoniumoxid versagen. Voss et al. beschreiben die Notwendigkeit einer erhöhten Beschichtungsdicke für einen erhöhten Schutz.
Die vorliegende Erfindung betrifft die Bereitstellung von Wärmesperrbeschichtungen mit erhöhter Beständigkeit gegen den Angriff von umgebungsbedingten Verunreinigungen bei Hochtemperaturbedingungen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung stellt ein Metalllegierungsteil für einen Gasturbinenmotor bereit, wobei das Teil gegen den Einfluss von umgebungsbedingten Verunreinigungen unter Hochtemperaturbedingungen beständig ist, wobei das Metalllegierungsteil eine auf dem Metalllegierungsteil abgeschiedene Wärmesperrbeschichtung und einen auf der Wärmesperrbeschichtung abgeschiedenen Schutzüberzug aus einem anderen Material als das Material der Wärmesperrbeschichtung aufweist, dadurch gekennzeichnet dass:
der Überzug während eines periodischen Arbeitsvorgangs nicht verringert oder aufgelöst wird;
der Überzug porös ist;
der Überzug wesentlich dünner als die Wärmesperrbeschichtung ist;
der Überzug ein Material ist, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus mit Ceroxid stabilisiertem Zirkoniumoxid (CSZ);
mit Calcium stabilisiertem Zirkoniumoxid (CaSZ); mit
Zirkoniumoxid gehärtetem Aluminiumoxid (ZTA); einem Mischoxid;
und Gemischen aus zwei oder mehreren davon; und
der Überzug ausgewählt ist aus Materialien, die gegen umgebungsbedingte Verunreinigungen beständiger als die Wärmesperrbeschichtung sind.
Es zeigte sich, dass die Verwendung eines Überzugs mit diesen Eigenschaften einen guten Schutz für die Wärmesperrbeschichtung bereitstellt. Der Überzug schützt die Wärmesperrbeschichtung je nach umgebungsbedingten Verunreinigungen und vorliegenden Bedingungen auf mehrfache Weise:

1. Der Schutzüberzug deckt die Wärmesperrbeschichtung ab und hüllt diese ein, wodurch eine physikalische Sperre auf der Oberfläche der Wärmesperrbeschichtung bereitgestellt und dadurch die Geschwindigkeit der Infiltration von geschmolzenen umgebungsbedingten Verunreinigungen in die Wärmesperrbeschichtung wesentlich reduziert wird.
2. Der Schutzüberzug stellt eine chemische Sperre bereit, die die chemische Wechselwirkung der verunreinigten Umgebung mit der Wärmesperrbeschichtung minimiert, wodurch die chemische Auflösung der Wärmesperrbeschichtung bei hohen Betriebstemperaturen deutlich verlangsamt wird.
3. Da der Überzug derart ausgewählt ist, dass er mit umgebungsbedingten Verunreinigungen nicht reagiert, wird die Anhaftung dieser Verunreinigungen an der Oberfläche widerstandsfähig, und die Migration dieser Verunreinigungen in die Wärmesperrbeschichtung wird demzufolge minimiert. Zudem ist der Hauptteil der Abscheidungen, die sich auf der Oberfläche des dünnen Schutzüberzugs bilden können, nur locker an der Oberfläche angehaftet und wird durch mit hoher Geschwindigkeit über die Oberfläche strömendes Gas oder während des Abkühlens aufgrund der folgenden Differentialwärmeausdehnung schnell entfernt.
4. In Umgebungen, in welchen ein Teilchenaufprall oder eine Erosion auftreten kann, reduziert eine höhere Festigkeit in der dünnen Schutzdeckschicht der vorliegenden Erfindung die Geschwindigkeit der Mikrorissbildung dieser Basiskeramikschicht, wodurch die Lebensdauer der Beschichtung verlängert wird.

Für Gasturbinenanwendungen der Erfindung kann das Metalllegierungsteil, das auch als Ausgangsmaterial bezeichnet werden kann, aus einem beliebigen Material bestehen, das bei der Konstruktion von Motorteilen verwendet wird. Das Metalllegierungsteil kann z.B. Cobalt, Eisen, Chrom, Nickel, Aluminium oder eine Legierung von zwei oder mehreren dieser Metalle aufweisen. Falls verwendet, kann eine Metallbindungsbeschichtung z.B. aus einer Metallsuperlegierung oder einer Metalllegierung, zusammengesetzt aus Cobalt, Eisen, Chrom, Nickel, Aluminium oder einem beliebigen anderen geeigneten Metalllegierungsmaterial, zusammengesetzt sein.
Mischoxide, die im Schutzüberzug verwendet werden können, können zwei oder mehrere Verbindungen aus der Gruppe, bestehend aus Oxiden von Aluminium, Cobalt, Chrom, Eisen, Titan und Nickel, aufweisen.
Die Schutzwärmesperrbeschichtung kann mit Yttriumoxid stabilisiertes Zirkoniumoxid (YSZ), Aluminiumoxid-Titanoxid, mit Calciumoxid stabilisiertes Zirkoniumoxid, mit Magnesiumoxid stabilisiertes Zirkoniumoxid, mit Ceroxid stabilisiertes Zirkoniumoxid (CSZ), mit Scandiumoxid stabilisiertes Zirkoniumoxid, Calciumsilicat, Calciumsilicat-Zirkonat-Mischungen, mit Calcium stabilisiertes Zirkoniumoxid (CaSZ), mit Zirkoniumoxid gehärtetes Aluminiumoxid (ZTA), Aluminiumoxid-Zirkoniumoxid, Zirkoniumsilicat, Zirkonium, Aluminiumoxid oder Mischungen davon aufweisen.
Die bevorzugte Keramik der Wärmesperrbeschichtung ist mit Yttriumoxid stabilisiertes Zirkoniumoxid (YSZ), während der bevorzugte darauf abgeschiedene Schutzüberzug von den angetroffenen spezifischen Umgebungsbedingungen abhängt.
Gegenstände, die erfindungsgemäß konfiguriert sind, können einem Angriff von verschiedenen umgebungsbedingten Verunreinigungen unterzogen werden. Diese können Sauerstoff, Natrium, Chlor und Kochsalzgemische, Wasserdampf, Vanadium, Schwefel und ähnliche Verunreinigungen unter Hochtemperaturbedingungen einschließen. Diese Verunreinigungen können von Verbrennungsgasströmen mit hoher Geschwindigkeit bei Temperaturen von 850°C (1560°F) bis 1200°C (2204°F) oder höher mitgeführt werden. Die Teile können einer kontinuierlichen Dauereinwirkung oder einer Wärmewechseleinwirkung unterzogen werden.
Sowohl die Basiskeramikschicht als auch die Deckschutzschicht können durch thermisches Zerstäuben (Plasma oder Flamme) oder aus einer Aufschlämmung oder durch Sol-Gel-Techniken abgeschieden werden. Wird sie aus einer Aufschlämmung oder einem Sol-Gel abgeschieden, ist eine anschließende Wärmebehandlung erforderlich, um die Beschichtung zu trocknen und die nötige Kohäsions- und Adhäsionsfestigkeit bereitzustellen.
Weist der Überzug Mischoxide auf, können diese Oxide zwei oder mehrere Verbindungen aus der Gruppe, bestehend aus Oxiden von Aluminium, Cobalt, Chrom, Eisentitan und Nickel umfassen. Ein Mischoxidüberzug wird vorzugsweise durch thermische Plasma- oder Flammzerstäubungsverfahren abgeschieden, jedoch können auch Aufschlämmungs- und Sol-Gel-Techniken mit einer anschließenden Wärmebehandlung verwendet werden.
Der Überzug ist eine poröse, jedoch kontinuierliche Schicht mit einer Dicke zwischen 25 und 125 Mikron (0,001 und 0,005 Zoll) und einer Porosität zwischen 1 und 20%. Vorzugsweise weist der Überzug eine Dicke von 25-50 Mikron (0,001-0,002 Zoll) mit einem Porengehalt von 3-10% auf. Ein niedrigerer Porengehalt als die darunter liegende Keramikbeschichtung ist nicht nötig.
Die Reduktion oder Verhinderung von Verunreinigungen in der Wärmesperrbeschichtung reduziert das Auftreten von Rissen an oder nahe der Wärmesperrbeschichtung-Metall-Grenzfläche, die auch als Keramik-Metall-Grenzfläche bezeichnet werden kann. Die Reduktion und Verhinderung der Infiltration von Verunreinigungen in die Keramikschicht der Wärmesperrbeschichtung und die anschließende Infiltration von Verunreinigungen zur oder in die Nähe der Keramik-Metall-Grenzfläche reduziert das Auftreten von Entlaminierung, verhindert ein Versagen der Wärmesperrbeschichtung und behält demzufolge die Integrität der Wärmesperrbeschichtung bei und verlängert die Lebensdauer des Metalllegierungsteils.
Es sollte angemerkt werden, dass nicht alle Eigenschaften der Schutzüberzugmaterialien identisch sind. Die Auswahl dessen, welcher Schutzüberzug auf der Wärmesperrbeschichtung abgeschieden wird, sollte auf der Basis des spezifischen Bedarfs und der Verwendungsanforderungen des Metalllegierungsteils erfolgen. Zum Beispiel kann bei Temperaturen von weniger als 1000°C (1832°F) ein Schutzüberzug aus Calciumsilicat- Zirkonat (CaSZ) oder Mischoxiden einen besseren Schutz als ein Schutzüberzug aus mit Ceroxid stabilisiertem Zirkoniumoxid (CSZ) oder mit Zirkoniumoxid gehärtetem Aluminiumoxid (ZTA) bereitstellen, wohingegen Umgekehrtes bei Temperaturen über 1000°C (1832°F) gelten kann.
Der vorliegende Schutzüberzug ist nützlich, um die Wärmesperrbeschichtung vor den verunreinigten Umgebungen des Gasturbinenbetriebs zu bewahren. Jedoch ist die Verwendbarkeit des Überzugs auf die Betriebsumgebung nicht beschränkt. Er ist auch für Gasturbinenteile in heißen Abschnitten sowie anderen Maschinenteilen, die hohe Betriebstemperaturen antreffen oder sich einem Wärmewechsel unterziehen können, geeignet. Zum Beispiel kann die vorliegende Schutzbeschichtung in einer Vielzahl von industriellen Gebieten wie Dampfmotoren, Durchlauferhitzer, Standardluftmotoren, Meerwasseratmosphären, petrochemische Raffinerien und Metallraffinerien als nützliche Schutzbeschichtung dienen.
Die Dicke des Schutzüberzugs kann variieren, jedoch wird die bevorzugte Dicke im Wesentlichen durch die Schutzbeschichtungsmenge bestimmt, die zum Verhindern der Infiltration von umgebungsbedingten Verunreinigungen in die Wärmesperrbeschichtung nötig ist. Der Schutzüberzug der vorliegenden Erfindung ist in Bezug auf die Keramikschicht der von ihm eingehüllten Wärmesperrbeschichtung dünn. Die Dicke des Schutzüberzugs kann etwa ein fünftel der Dicke der Keramikschicht der Wärmesperrbeschichtung darunter betragen. Vorzugsweise liegt die Dicke des Überzugs im Bereich von etwa 25 bis 125 Mikron (0,001-0,005 Zoll), wobei 25-50 Mikron (0,001-0,002 Zoll) der im Allgemeinen gewünschte Bereich ist, wohingegen die Dicke der Wärmesperrbeschichtung im Bereich von etwa 75 bis 500 Mikron (0,003-0,020 Zoll) liegen kann.
Ein dickerer Schutzüberzug verlängert nicht unbedingt die Lebensdauer der Wärmesperrbeschichtung. Zum Beispiel kann eine erhöhte Gesamtkeramikdicke, d.h. die Dicke des Keramikschutzüberzugs und die Dicke der Wärmesperrbeschichtung, zu einer erhöhten Anfälligkeit für ein Abplatzen durch Wärme oder einer Einschränkung im korrekten Strom der Verbrennungsgase beitragen. Im Allgemeinen gilt, je dicker der Überzug desto anfälliger ist er aufgrund von Rissen an der Keramik-Metall-Grenzfläche oder Entlaminierung unter Wärmewechsel für ein Versagen.
Unter bestimmten Betriebsbedingungen, die bestimmte Temperaturkombinationen oder Temperatur- und Korrosionskombinationen beinhalten, kann ein dickerer Schutzüberzug nützlich sein. Diese Bedingungen treten wahrscheinlich eher in einigen industriellen Herstellungsbedingungen als in Gasturbinenbetriebsumgebungen auf. Es sollte angemerkt werden, dass der Überzug und die Wärmesperrbeschichtung, falls eine dickere erfindungsgemäße Schutzschicht erforderlich ist, zum Minimieren von inneren Spannungen nivelliert werden können.
Die Wärmesperrbeschichtung kann mit Yttriumoxid stabilisiertes Zirkoniumoxid (YSZ), Aluminiumoxid-Titanoxid, mit Calciumoxid stabilisiertes Zirkoniumoxid, mit Magnesiumoxid stabilisiertes Zirkoniumoxid, mit Ceroxid stabilisiertes Zirkoniumoxid (CSZ), mit Scandiumoxid stabilisiertes Zirkoniumoxid, Calciumsilicat, Calciumsilicat-Zirkonat-Mischungen, mit Calcium stabilisiertes Zirkoniumoxid (CaSZ), mit Zirkoniumoxid gehärtetes Aluminiumoxid (ZTA), Aluminiumoxid-Zirkoniumoxid, Zirkoniumsilicat, Zirkonium, Aluminiumoxid oder Mischungen davon aufweisen, wobei YSZ eine bevorzugte Keramikbeschichtung ist. Zusätzlich zu dem überragenden Wärmeisolierungsvermögen zeigt YSZ auch ausgezeichnete Hafteigenschaften unter Wärmewecshelbedingungen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
In den begleitenden Zeichnungen, die Versuchstestproben nach Einwirkung von simulierten Betriebsbedingungen zeigen, ist
1 eine Fotografie eines Turbinenblatts, das gemäß Beispiel V bearbeitet wurde; und
2 eine Fotografie eines Turbinenblatts, das gemäß Beispiel VI bearbeitet wurde.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEISPIELE
Die folgenden Beispiele veranschaulichen die Vorteile der Schutzschicht der vorliegenden Erfindung.
BEISPIEL I
Superlegierungsstifte einer Gruppe wurden mit einer Dicke von 500 Mikron (0,012 Zoll) mit mit Yttriumoxid stabilisiertem Zirkoniumoxid (YSZ) durch Luftplasma beschichtet, während Superlegierungsstifte einer anderen Gruppe mit einer Dicke von 500 Mikron (0,012 Zoll) mit Zirkoniumoxid gehärtetem Aluminiumoxid (ZTA) beschichtet wurden. Einige der mit YSZ beschichteten Stifte wurden mit einer dünnen Schicht aus ZTA oder mit Ceroxid stabilisiertem Zirkoniumoxid (CSZ) weiter durch Luftplasma beschichtet, wobei die zusätzliche Beschichtung eine Dicke von weniger als 50 Mikron (0,002 Zoll) aufwies. Die YSZ-, ZTA-, YSZ-ZTA- und YSZ-CSZ-Superlegierungsstifte wurden dann an Luft einem Wärmewechsel unter Verwendung eines gewöhnlichen Gasbrenners auf eine Maximaltemperatur von 1232°C (2250°F) unterzogen. Die Stifte erfuhren dann ein gesteuertes schnelles Abkühlen auf weniger als 204°C (400°F) mit trockener komprimierter Luft. Die mit YSZ und ZTA beschichteten Stifte versagten nach 504 bzw. 433 Zyklen, während die mit YSZ-ZTA und mit YSZ-CSZ beschichteten Stifte auch nach 600 Zyklen nicht versagten. Dieses Ergebnis veranschaulicht die Wirksamkeit der dünnen Deckschicht beim Erhöhen der Abplatz- oder Auflösungsbeständigkeit des Beschichtungsmaterials. Darüber hinaus veranschaulicht das vorliegende Beispiel, dass einschichtige Keramikbeschichtungen, ungeachtet der Basiskeramikbeschichtungszusammensetzung, nicht so lange wie mit einer dünnen Deckschicht beschichtete Basiskeramikbeschichtungen haltbar sind, wodurch weiter demonstriert wird, dass der dünne Überzug der vorliegenden Erfindung die Lebensdauer der Basiskeramikbeschichtung erhöht und deshalb als Ergebnis eine Wärmeisolierung für eine längere Zeitdauer bereitstellt.
BEISPIEL II
Superlegierungsstifte wurden mit einer Dicke von 75-150 Mikron (0,003-0,006 Zoll) mit mit Yttriumoxid stabilisiertem Zirkoniumoxid (YSZ) durch Luftplasma beschichtet. Einige der mit YSZ beschichteten Stifte wurden mit einer Schicht mit einer Dicke von 50-75 Mikron (0,002-0,003 Zoll) aus CSZ oder Calciumsilicat-Zirconat (CaSZ) durch Luftplasma beschichtet, wodurch Stifte erhalten wurden, die mit YSZ-CSZ bzw. YSZ-CaSZ beschichtet waren. Die mit YSZ, YSZ-CSZ und YSZ-CaSZ beschichteten Stifte wurden dann an Luft einem Wärmewechsel unter Verwendung eines gewöhnlichen Gasbrenners auf eine Maximaltemperatur von 1232°C (2250°F) unterzogen. Die Stifte erfuhren dann ein gesteuertes schnelles Abkühlen auf weniger als 204°C (400°F) mit trockener komprimierter Luft. Die Stifte wurden dann mit einer Lösung auf Wasserbasis von 3% Schwefel, 3% Natrium und 1% Vanadium besprüht. Nach einer Untersuchung versagten die Stifte ohne den Schutzüberzug, d.h. die mit YSZ beschichteten Stifte versagten nach 130-150 Zyklen, während die beschichteten Stifte, d.h. die mit YSZ-CSZ und YSZ-CaSZ Stifte auch nach über 200 Zyklen nicht versagten. Es wurde weiter bemerkt, dass sowohl bei den mit YSZ-CSZ und YSZ-CaSZ beschichteten Stiften der Überzug nicht versagte, ein Versagen trat nur auf, als die untere YSZ-Beschichtung von der Basismetallbeschichtung an der Grenzfläche zwischen dem Metallstift und der benachbarten YSZ-Beschichtung wegbrach. Der dünne Überzug, der auf der unteren YSZ-Beschichtung abgeschieden war, versagte nicht und blieb intakt, d.h. das CSZ und CaSZ splitterte und brach von der unteren YSZ-Beschichtung nicht ab. Die Ergebnisse dieses Beispiels veranschaulichen den durch die dünne Überzugsschicht beim Wärmewechselprozess in einer Salzumgebung bereitgestellten Schutz, d.h. wobei der Schutzüberzug nicht opfernd war. Er verringerte oder löste sich während des zyklischen Prozesses nicht. Die Schutzdeckbeschichtung versagte nicht und der Verlust an Wärmeschutz auf die darunter liegenden Superlegierungsstifte trat nur auf, als die untere Beschichtung schließlich versagte.
BEISPIEL III
Superlegierungsstifte wurden mit Keramikbeschichtungen auf eine Gesamtdicke von etwa 150 Mikron (0,006 Zoll) durch Luftplasma beschichtet. Drei Beschichtungstypen umfassten Stifte, die nur mit 150 Mikron (0,006 Zoll) YSZ beschichtet waren, Stifte, die mit 75-100 Mikron (0,002-0,004 Zoll) YSZ plus 50 Mikron (0,002 Zoll) CSZ beschichtet waren bzw. Stifte, die mit 75-100 Mikron (0,003-0,004 Zoll) YSZ plus 50 Mikron (0,002 Zoll) CaSZ, bzw., beschichtet waren. Die mit YSZ-, YSZ-CSZ und YSZ-CaSZ beschichteten Stifte wurden dann 53 Wärmewechseln an Luft unter Verwendung eines gewöhnlichen Gasbrenners auf eine Maximaltemperatur von 1150°C (2100°F) unterzogen. Die Stifte erfuhren ein gesteuertes schnelles Abkühlen auf weniger als 204°C (400°F) mit trockner komprimierter Luft, wobei während dieser Zeit die Stifte mit einer Lösung auf Wasserbasis von 0,5% Schwefel, 0,77 Chlor und 0,86 Natrium besprüht wurden. Nach diesen 53 Zyklen wurden die Wärmewechselbedingungen auf eine Maximaltemperatur von 1177°C (2150°F), eine Kalttemperatur von weniger als 204°C (400°F), eine zusätzliche Minute nach der Einwirkung der Maximaltemperatur geändert und mit einer wässrigen Lösung von 1% Vanadium, 3% Schwefel und 3% Natrium besprüht. Die einschichtige YSZ-Beschichtung versagte zuerst nach so wenig wie 53 Zyklen und durchschnittlich 101 Zyklen, während die Beschichtungen, die eine Deckschutzschicht enthielten, auch nach 130 Zyklen nicht versagten. Die Ergebnisse dieses Beispiels zeigen, dass die Gesamtkeramikbeschichtungsdicke kein Hauptfaktor beim durch die Deckkeramikschicht bereitgestellten Schutz ist. Alle die Beschichtungen in diesem Beispiel weisen dieselbe Gesamtkeramikdicke auf.
BEISPIEL IV
Superlegierungsstifte wurden mit Keramikbeschichtungen durch Luftplasma wie folgt beschichtet: YSZ mit einer Dicke von 300 Mikron (0,012''), YSZ mit einer Dicke von 300 Mikron (0,012'') plus ZTA mit einer Dicke von 25 Mikron (0,001''), YSZ mit einer Dicke von 300 Mikron (0,012'') plus CSZ mit einer Dicke von 25 Mikron (0,001''), ZTA mit einer Dicke von 300 Mikron (0,012'') und ZTA mit einer Dicke von 300 Mikron (0,012'') plus 25 Mikron CSZ mit einer Dicke von (0,001''). Diese YSZ-, YSZ-ZTA-, YSZ-CSZ-, ZTA- und ZTA-CSZ-Stifte wurden Wärmewechseln an Luft unter Verwendung eines gewöhnlichen Gasbrenners auf eine Maximaltemperatur von 1204-1232°C (2200-2250°F), gefolgt von schnellem Luftkühlen auf unter 204°C (400°F) unterzogen. Die einschichtigen YSZ- und ZTA-Beschichtungen rissen nach 504 bzw. 433 Zyklen, während die zweischichtigen Beschichtungen wie folgt arbeiteten: YSZ-ZTA = gerissen nach 934 Zyklen, YSZ-CSZ = gerissen nach 934 Zyklen und ZTA-CSZ = keine Risse nach 433 Zyklen. Diese Ergebnisse zeigen, dass die sehr dünne zweite Keramikschicht die Lebensdauer der Basiskeramikbeschichtung unabhängig von der Basiskeramikzusammensetzung (jedoch innerhalb der beanspruchten Gruppe an Materialien) deutlich verlängert. Auch fand die Entlaminierung der zweischichtigen Keramikbeschichtungen an oder nahe der Basiskeramik-Metall-Grenzfläche vor dem Versagen der Deckkeramikschicht statt.
BEISPIEL V
Die Tragflächen eines Satzes von Superlegierungsturbinenflügeln wurden mit zwei Keramikschichten durch Luftplasma beschichtet: YSZ mit einer Dicke von 50-375 Mikron (0,002-0,015'') mit einem Überzug aus CSZ mit einer Dicke von 25-50 Mikron (0,001-0,002''). Die Dicke der Keramik variierte von Ort zu Ort auf den Tragflächen. Die Flügel wurden dann für eine Dauer von 1.300 Zyklen unter Verwendung eines Jet-A-Kerosin-Treibstoffbrenners (Erwärmung) und komprimierter Luft (Abkühlung) einem Wärmewechsel unterzogen. Jeder Zyklus bestand aus 3-minütigem Erwärmen [T_max = 1065-1093°C (1950-2000°F)] und 3-minütigem Abkühlen [T_min = <150°C (300°F)]. Es lag eine sehr leichte Beschädigung der Keramikbeschichtungen bei Beendigung des Tests vor, wie in 1 ersichtlich, wodurch gezeigt wird, dass die Keramikbeschichtungskombination den schweren Wärmewechselbelastungen in einer Verbrennungsgasumgebung, die in Düsentreibstoff vorliegende Verunreinigungen enthält, standhalten konnten. Die geringe Beschädigung der Keramikbeschichtung kann mit der schweren Beschädigung der Plattform verglichen werden. Frühere Tests wurden bei einschichtigen mit YSZ-Keramik beschichteten Turbinenflügeln, beschichtet durch mehrere verschiedene Quellen, auf derselben Brenneranlage unter Verwendung von identischen zyklischen Wärmebeanspruchungsbedingungen durchgeführt. In all diesen Fällen entlaminierte die einschichtige Keramikbeschichtung über einen sehr breiten Oberflächenbereich. In einigen dieser Tests wurde eine Entlaminierung bei so wenig wie 100 Zyklen beobachtet. Die Ergebnisse dieses Beispiels zeigen die deutliche Erhöhung in der Betriebslebensdauer, die mit einer sehr dünnen zweiten Keramikbeschichtung erhältlich ist.
BEISPIEL VI
Zweischichtige mit Keramik beschichtete Turbinenflügel wurden in einer Brenneranlage einem Wärmewechsel ausgesetzt. Die Turbinenflügel, Keramikbeschichtungen und Wärmewechselbedingungen waren mit denjenigen in Beispiel V identisch, außer dass natürliches Gas der Treibstoff war, anstelle von Jet-A-Kerosin. Nach 1340 Zyklen, 40 mehr als in Beispiel V, wies eine der Tragflächen einen kleinen (< 5 mm²) entlaminierten Bereich auf der Eintrittskante auf, 2. Der Rest der Beschichtung zeigte keine Beschädigung. Eine Querschnittsuntersuchung dieser entlaminierten Fläche zeigte, dass ein Versagen in der Nähe der YSZ-Metallgrenzfläche und nicht in oder in der Nähe der Deck-CSZ-Schicht auftrat. Dieses Beispiel zeigt, dass ein Versagen der Keramik durch Versagen der Bodenschicht vor der Beschädigung oder des Verbrauchs der Deckkeramikschicht auftritt. Die dünne zweite Schicht verlängert die Lebensdauer der Basiskeramikbeschichtung, versagt jedoch nicht zuerst.
Die vorstehenden Beispiele veranschaulichen, dass der dünne Schutzüberzug gemäß der vorliegenden Erfindung die Lebensdauer der unteren Wärmesperrbeschichtung verbessert. Zusätzlich ist die Schutzbeschichtung der vorliegenden Erfindung nicht opfernd und versagt bei wiederholter Verwendung nicht. Der Schutzüberzug versagte nur, als die untere Wärmesperrbeschichtung versagte.
Während bevorzugte Ausführungsformen beschrieben wurden, ist es klar, dass die Erfindung auf eine derartige Offenbarung nicht beschränkt sein soll, sondern eher zum Abdecken von allen Modifikationen und anderen Anwendungen, die in den Umfang der Erfindung fallen, vorgesehen sind.

Claims

Metalllegierungsteil für einen Gasturbinenmotor, wobei das Teil für den Angriff von umgebungsbedingten Verunreinigungen unter Hochtemperaturbedingungen beständig ist, wobei das Metalllegierungsteil eine auf dem Metalllegierungsteil abgeschiedene Wärmesperrbeschichtung und einen auf der Wärmesperrbeschichtung aufweisenden Schutzüberzug aus einem anderen Material als das Material der Wärmesperrbeschichtung aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass: der Überzug während eines periodischen Arbeitsvorgangs sich nicht verringert oder auflöst; der Überzug porös ist; der Überzug wesentlich dünner als die Wärmesperrbeschichtung ist; der Überzug ein Material, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus mit Ceroxid stabilisiertem Zirkoniumoxid (CSZ); mit Calcium stabilisiertem Zirkoniumoxid (CaSZ); mit Zirkoniumoxid gehärtetem Aluminiumoxid (ZTA); einem Mischoxid; und Gemischen aus zwei oder mehreren davon; und der Überzug ausgewählt ist aus Materialien, die für die umgebungsbedingten Verunreinigungen beständiger als die Wärmesperrbeschichtung sind.
Metalllegierungsteil nach Anspruch 1, wobei die umgebungsbedingten Verunreinigungen Sauerstoff, Natrium, Chlor, Kochsalzgemische, Wasserdampf, Natrium, Vanadium, Schwefel und ähnliche Verunreinigungen unter Hochtemperatur- und/oder Hochdruckbedingungen aufweisen.
Metalllegierungsteil nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei das Metalllegierungsteil Cobalt, Eisen, Chrom, Nickel, Aluminium oder eine Legierung aus zwei oder mehreren davon aufweist.
Metalllegierungsteil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Schutzwärmesperrbeschichtung eine Basiskeramikbeschichtung und eine innere Metalllegierungsbindungsbeschichtung aufweist, wobei die innere Metalllegierungsbindungsbeschichtung auf dem Metalllegierungsteil und die Basiskeramikbeschichtung auf der inneren Metalllegierungsbindungsbeschichtung abgeschieden ist.
Metalllegierungsteil nach Anspruch 4, wobei die Metallbindungsbeschichtung eine Superlegierung aufweist.
Metalllegierungsteil nach Anspruch 4, wobei die Metallbindungsbeschichtung eine Legierung, einschließlich eine oder mehrere von Cobalt, Eisen, Chrom, Nickel und Aluminium aufweist.
Metalllegierungsteil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Schutzwärmesperrbeschichtung eine Basiskeramikbeschichtung aufweist, und die Basiskeramikbeschichtung auf dem Metalllegierungsteil und der Keramiküberzug auf der Basiskeramikbeschichtung abgeschieden ist.
Metalllegierungsteil nach einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei die Schutzwärmesperrbeschichtung eine Basiskeramikbeschichtung aufweist, und die Basiskeramikbeschichtung auf dem Metalllegierungsteil und der Keramiküberzug auf der inneren Metalllegierungsbindungsbeschichtung abgeschieden ist.
Metalllegierungsteil nach einem der Ansprüche 4 bis 8, wobei die Basiskeramikbeschichtung der Schutzwärmesperrbeschichtung mit Yttriumoxid stabilisiertes Zirkoniumoxid (YSZ), Aluminiumoxid-Titanoxid, mit Calciumoxid stabilisiertes Zirkoniumoxid, mit Magnesiumoxid stabilisiertes Zirkoniumoxid, mit Ceroxid stabilisiertes Zirkoniumoxid (CSZ), mit Scandiumoxid stabilisiertes Zirkoniumoxid, Calciumsilicat, Calciumsilicat-Zirconat-Mischungen, mit Calcium stabilisiertes Zirkoniumoxid (CaSZ), mit Zirkoniumoxid gehärtetes Aluminiumoxid (ZTA), Aluminiumoxid-Zirkoniumoxid, Zirkoniumsilicat, Zirkonium, Aluminiumoxid oder eine Mischung davon aufweist.
Metalllegierungsteil nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das Mischoxid zwei oder mehrere Verbindungen aus der Gruppe, bestehend aus Oxiden von Aluminium, Cobalt, Chrom, Eisen, Titan und Nickel aufweist.
Metalllegierungsteil nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei der Schutzüberzug eine Dicke von 25 bis 125 Mikron (0,001-0,005 Zoll) aufweist.
Metalllegierungsteil nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei der Schutzüberzug eine Porosität von 1 bis 20 Vol.-aufweist.
Metalllegierungsteil nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei der Schutzüberzug eine Porosität von 3 bis 20 Vol.-aufweist.
Metalllegierungsteil nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei der Schutzüberzug für umgebungsbedingte Verunreinigungen im Wesentlichen inert ist, sodass sich der Schutzüberzug sich bei wiederholter Verwendung nicht chemisch oder physikalisch verringert.
Metalllegierungsteil nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei die Wärmesperrbeschichtung eine Dicke von 75 bis 500 Mikron (0,003-0,012 Zoll) aufweist.
Metalllegierungsteil nach einem der Ansprüche 1 bis 15, wobei die Dicke der Wärmesperrbeschichtung etwa das 5-fache der Dicke des Überzugs beträgt.
Verfahren zum Abscheiden eines Metalllegierungsteils nach einem der Ansprüche 1 bis 16, wobei der Schutzüberzug oder die äußere Basiskeramikbeschichtung durch thermische Plasmazerstäubung oder Flammenzerstäubung, Aufschlämmung, Kaltzerstäubung oder eine Sol-Gel-Technik aufgebracht wird.
Verfahren zum Abscheiden nach Anspruch 17, wobei der Schutzüberzug oder die äußere Basiskeramikbeschichtung thermisch mit Luft- oder Atmosphärenplasma Wärme bestäubt wird.
Verfahren zum Abscheiden nach Anspruch 17, wobei der Schutzüberzug oder die äußere Basiskeramikbeschichtung durch Bürsten, Eintauchen oder Zerstäuben zum Erzielen einer im Wesentlichen gleichförmigen Beschichtungsschicht aufgebracht wird.
Verfahren zum Abscheiden nach einem der Ansprüche 17 bis 19, wobei nach dem Abscheiden des Schutzüberzugs oder der äußeren Basiskeramikbeschichtung eine Wärmebehandlung durchgeführt wird, um die Haftung der abgeschiedenen Beschichtungsschicht auf der Keramikschicht oder dem Gegenstand darunter zu verbessern.