DE60128442T2

DE60128442T2 - Verfahren zum Aufbringen einer dichten mit vertikalen Rissen aufweisenden Wärmedämmschicht zum Erleichtern der späteren Oberflächenbearbeitung

Info

Publication number: DE60128442T2
Application number: DE60128442T
Authority: DE
Inventors: Stephen Daniel Simpsonville Graham; Mark Francis Simpsonville DeSoi; Martin Lewis Easly Smith; Michael Wayne Kingwood Wallace; Robert Leighton Greer Ling
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2000-12-28
Filing date: 2001-12-20
Publication date: 2008-01-17
Anticipated expiration: 2021-12-21
Also published as: JP4481542B2; JP2002356762A; KR100911507B1; EP1219721A2; EP1219721A3; KR20020055400A; US20020086117A1; EP1219721B1; US6432487B1; DE60128442D1

Description

Diese Erfindung betrifft im Wesentlichen Turbinenkomponenten, und insbesondere auf Turbinenlaufschaufeln, Leitschaufeln und dergleichen aufgebrachte Beschichtungen.
Die so genannte dichte mit vertikalen Rissen versehene Wärmebarrierenbeschichtung ("DVC" – Dense Vertically Cracked "TBC" – Thermal Barrier Coating) ist eine keramische Beschichtung und per Definition dicht, hart und schwierig abzutragen. Beispiele kann man in den US Patenten Nr. 6 047 539 und 5 830 586 finden. Siehe auch die US Patente Nr. 5 281 487 ; 5 897 921 ; 5 989 343 und 6 022 594 . Das thermische Aufspritzverfahren (typischerweise ein Plasmaspritzverfahren), der zum Erzielen der erforderlichen strukturellen Eigenschaften (das heißt, derjenigen, welche die mechanischen und thermischen Eigenschaften erzeugen, die in der Beschichtung erwünscht sind) eingesetzt wird, erzeugt jedoch auch eine raue Oberfläche, die aerodynamisch inakzeptabel ist. Die Dickensteuerungsfähigkeit dieses Verfahrens ist ebenfalls geringer als die durch die Auslegung erforderlichen Grenzwerte. Somit muss die aufgebrachte Beschichtung dicker als das gewünschte Endprodukt aufgebracht werden, so dass sie mechanisch auf die erforderlichen Grenzwerte sowohl hinsichtlich Dicke als auch Oberflächenrauhigkeit abgetragen ("endbearbeitet") werden kann. Dieser Vorgang erfordert die manuelle Entfernung von überschüssigem Material mit diamantbesetzten Scheiben, und hat sich als schwierig, zeitaufwendig und teuer erwiesen, und führt oft zu einer Nachbearbeitung, die sich aus einer "Überendbearbeitung", das heißt, aus einem Abtrag auf eine geringere Dicke als erforderlich ergibt.
Die meisten herkömmlichen Bemühungen, die wir kennen, drehten sich um das Finden eines effektiveren Mediums (das heißt, Keramiken statt Diamant) zur Verwendung bei der Endbearbeitungsvorgang.
US 4 588 607 betrifft ein Verfahren zum Beschichten von metallischen Substraten mit kontinuierlich größensortierten metallisch-keramischem Material. Die Beschichtung weist beispielsweise eine Metallbindeschicht, eine kontinuierlich abgestufte metallisch-keramische Schicht und eine Außenschicht aus abtragbarem keramischem Material auf. Eine Temperaturmodulation während des Beschichtungsvorgangs wird dazu benutzt, um ein erwünschtes Restspannungsmuster zu erzielen.
Diese Erfindung beinhaltet die Erzeugung einer dünnen, weichen (das heißt, weniger dichten) Opferaußenschicht der TBC, die leicht mittels "herkömmlicher" Endbearbeitungstechniken und Materialien zu entfernen ist. Die Fähigkeit, diese dünne, weiche Opferschicht aus derselben chemischen Zusammensetzung aufzubringen, ermöglicht dass der Oberflächenendbearbeitungsvorgang schneller durchgeführt wird. Da sie merklich leichter zu entfernen ist als die vollständig dichten Schichten der Beschichtung unter ihr, stellt sie einen inhärent "folgeschadensicheren" Indikator dar. Mit anderen Worten, eine eine Endbearbeitung ausführende Person erkennt unmittelbar durch die plötzliche Zunahme der Entfernungsschwierigkeit, dass der größte Teil der Opferschicht entfernt worden ist, was dann davor warnt, dass minimale Dickengrenzwerte gerade erreicht werden. Somit dürfte der Ansatz die Möglichkeit für "Overblending" (das heißt, Entfernen von zu viel Beschichtung während der Endbearbeitung, was zu Dicken unter dem Minimum führt) mini mieren. Da diese weiche äußere Schicht leichter und schneller zu entfernen ist, verringert sie die Zeit und die Anzahl diamantbesetzter Scheiben, die zur Endbearbeitung einer Komponente erforderlich sind, um angenähert 50%. Diese Technik ermöglicht auch die Erfüllung von Oberflächenrauhigkeitsanforderungen, dahingehend, dass die weichere Außenschicht die Oberflächenunregelmäßigkeiten oder "Taschen" in der härteren Unterschicht ausfüllt, und somit eine glattere Oberfläche bereitstellt.
Gemäß der Erfindung wird ein Verfahren zum Aufbringen einer mit vertikalen Rissen versehenen keramischen Wärmebarrierenbeschichtung auf eine Maschinenkomponente bereitgestellt, mit den Schritten:

a. Aufbringen mehrerer Schichten der keramischen Wärmebarrierenbeschichtung auf die Komponente unter Verwendung einer Düse in einem ersten Abstand von der Komponente; und
b. Aufbringen einer zusätzlichen Opferaußenschicht der keramischen Wärmebarrierenbeschichtung mit derselben chemischen Zusammensetzung wie die mehreren Schichten auf die Komponente, mit der Düse in einem zweiten Abstand von der Komponente, der größer als der erste Abstand ist; und
c. Entfernen von wenigstens einem Teil der Außenschicht, um Dicken- und Oberflächenrauigkeitsspezifikationen zu erfüllen.

Das vorliegende Verfahren beinhaltet eine keramische Wärmebarrierenbeschichtung (TBC). Die Beschichtung wird in einer Reihenfolge von Schichten, jeweils einer zu einem Zeitpunkt, unter Anwendung eines speziell ausgelegten Pro gramms für die zu beschichtende besondere Komponente aufgebracht.
In einer Ausführungsform kann das keramische Material ein Metalloxid, wie zum Beispiel Yttriumoxid, stabilisiertes Zirkonoxid mit einer Zusammensetzung von sechs bis acht Gewichtsprozent Yttriumoxid und dem Rest Zirkonoxid sein, das mittels Plasmaspritzen von mehreren Schichten aufgebracht wird. Diese Erfindung ist jedoch auch auf andere TBC-Materialien einschließlich Metallcarbide, Nitride und andere keramische Materialien anwendbar. Eine Schicht ist als die Dicke von keramischem Material definiert, das in einer gegebenen Ebene oder Flächeneinheit während eines Durchgangs eines Plasmaspritzbrenners abgeschieden wird. Um die gesamte Oberfläche eines Substrates abzudecken und die erforderliche Dicke einer TBC zu erhalten, ist es im Wesentlichen erwünscht, dass der Plasmaspritzbrenner und das Substrat im Bezug zueinander bewegt werden, wenn die TBC abgeschieden wird. Dieses kann in der Form der Bewegung des Brenners, des Substrat oder beider erfolgen, und ist analog zu Verfahren, welche zum Spritzlackieren angewendet werden. Diese Bewegung führt in Kombination mit dem Umstand, dass ein gegebener Plasmaspritzbrenner ein Muster spritzt, welches einen begrenzten Bereich abdeckt (zum Beispiel eine Brennerspritzfläche aufweist) dass die TBC in Schichten abgeschieden wird.
In einer exemplarischen Ausführungsform besteht das Verfahren aus acht (8) Spritzdurchgängen mit einem in einem Abstand von etwa 11,43 cm (4,5'') von der zu beschichtenden Komponente angeordneten Brenner oder einer Düse unter Verwendung eines computergesteuerten Programms mit Roboterbewegung zwecks Reproduzierbarkeit.
Dieses Verfahren erzeugt eine gleichmäßig harte, dichte, keramische Beschichtung welche etwa 0,0051 cm (0,002'') pro Durchgang für eine Gesamtdicke von angenähert 0,0406 cm (0,016'') hinzufügt. Dieses ermöglicht, dass etwa 0,0051 cm (0,002'') während des Oberflächenendbearbeitungsvorgangs abgetragen werden, der erforderlich ist, um die notwendigen Oberflächenrauhigkeits- und Dickenspezifikationen zu erreichen.
Die Erfindung hier ist eine Modifikation an diesem ansonsten bekannten Verfahren. Insbesondere fügt diese Erfindung einen zusätzlichen Durchgang des Plasmaspritzbrenners unter Verwendung derselben Parameter und Bewegungen wie in allen früheren Durchgängen mit der Ausnahme hinzu, dass der letzte Durchgang von einem Abstand von etwa 28 cm (11,0'') (mehr als das zweifache des Abstandes für die ersten acht Durchgänge) ausgeführt wird. Dieser hinzugefügte Abstand erzeugt eine äußere "Opfer"-Schicht, die weniger dicht, das heißt, poröser ist. Die zusätzliche Porösität ist es, was diese Schicht weicher und leichter abtragbar macht. Die Entfernung dieser relativ weichen äußeren Schicht kann mit herkömmlichen Oberflächenendbearbeitungsmaterialien in etwa der Hälfte der Zeit ausgeführt werden, die benötigt würde, um dieselbe Dicke der dichteren Unterschichten zu entfernen. Tatsächlich erfordert die Entfernung dieser äußeren Schicht so wenig Aufwand im Vergleich zu dem Aufwand der zum Abtragen der dichten Unterschicht erforderlich ist, dass sie für eine ausführende Person "selbst-alarmierend" ist. Insbesondere macht die Änderung in der Härte, wie sie durch den Grad des Aufwands widergespiegelt wird, der zum Entfernen der weichen gegenüber der harten Beschichtung erforderlich ist, die Ausführende Person deutlich darauf auf merksam, dass die weiche Schicht entfernt ist, und nun die benachbarte harte Schicht bearbeitet wird. Dieser Effekt reduziert eine Überbearbeitung der Beschichtung, welche zu einer überflüssigen, nicht wertsteigernden. Oberflächenendbearbeitung und/oder Überbearbeitung unter das Dickenminimum führt, welche zur Notwendigkeit führt, das Produkt abzuziehen und neu zu beschichten.
Typischerweise wird zur Erfüllung der Dicken- und Oberflächenrauhigkeitsspezifikationen der größte Teil der Außenopferschicht entfernt (manchmal kann die gesamte Außenschicht entfernt werden). Jedoch füllt das verbleibende Material der äußeren Schicht die Oberflächenunregelmäßigkeiten oder "Taschen" in der härteren, benachbarten Unterschicht aus, was eine glattere Oberfläche ergibt. Auf diese Weise können sowohl die gewünschten Dicken- als auch Oberflächenendbearbeitungseigenschaften mit wesentlich weniger Aufwand erzielt werden, als er früher erforderlich war.
Die Beschichtungsqualität unter Anwendung dieses Verfahrens wurde metallographisch gegenüber dem Produktionsstandard bewertet und mit der derzeitigen Produktion für vergleichbar befunden.
Produktionsaufzeichnungen zeigen ebenfalls, dass man im Durchschnitt 1,7 diamantbesetzte Scheiben benötigt, um die Oberfläche einer mit der herkömmlichen DVC-TBC beschichteten Turbinenlaufschaufel auf die erforderliche Oberflächengüte zu schleifen. Es sind angenähert 0,245 Arbeitsstunden erforderlich um die erforderliche Oberflächengüte zu erzielen. 1,44% der bearbeiteten Laufschaufeln erforderten ein Abziehen und Neubeschichten als Folge von "Overblending" (wenn die Bearbeitungsperson(en) die Beschich tung unter die minimalen Dickengrenzwerte abschliffen). Auswertungen dieser neuen Beschichtungsprozedur zeigten, dass eine Turbinenlaufschaufel durchschnittlich 1,1 derartiger diamantbesetzter Scheiben benötigt, um die erforderliche Oberflächengüte zu erreichen, und dass die benötigte durchschnittliche Endbearbeitungszeit bei Turbinenlaufschaufeln mit dieser weicheren Außenschicht 0,153 Arbeitsstunden betrug.

Claims

Verfahren zum Aufbringen einer mit vertikalen Rissen versehenen keramischen Wärmebarrierenbeschichtung auf eine Maschinenkomponente, mit den Schritten: a. Aufbringen mehrerer Schichten der keramischen Wärmebarrierenbeschichtung auf die Komponente unter Verwendung einer Düse in einem ersten Abstand von der Komponente; und b. Aufbringen einer zusätzlichen Opferaußenschicht der keramischen Wärmebarrierenbeschichtung mit derselben chemischen Zusammensetzung wie die mehreren Schichten auf die Komponente, mit der Düse in einem zweiten Abstand von der Komponente, der größer als der erste Abstand ist; und c. Entfernen von wenigstens einem Teil der Außenschicht, um Dicken- und Oberflächenrauigkeitsspezifikationen zu erfüllen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der zweite Abstand mehr als das doppelte des ersten Abstands ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei jede von den mehreren Schichten und die Außenschicht durch Plasmaspritzen aufgebracht werden.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei jede von den mehreren Schichten 0,051 mm (0,002'') dick ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt c ferner ein Abtragen der Außenschicht umfasst, um dadurch im Wesentlichen die gesamte Außenschicht derart abzutragen, dass eine restliche Außenschicht Oberflächenunregelmäßigkeiten in einer nächsten benachbarten Schicht ausfüllt, um dadurch eine glatte Oberfläche auf der Endbeschichtung zu schaffen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Außenschicht vor dem Schritt c etwa 0,051 mm (0,002'') dick ist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Maschinenkomponente eine Turbinenkomponente ist.