DE602005002334T3

DE602005002334T3 - Werkstück auf Superlegierungsbasis mit einer gammaprime Nickel-Aluminid-Beschichtung

Info

Publication number: DE602005002334T3
Application number: DE602005002334.8T
Authority: DE
Inventors: Ramgopal Darolia; William Scott Walston
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2004-10-29
Filing date: 2005-07-28
Publication date: 2015-04-09
Anticipated expiration: 2025-07-29
Also published as: EP1652964B1; EP1652964B2; US7288328B2; DE602005002334D1; DE602005002334T2; EP1652964A1; US20060093851A1

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf Überzüge der Art, die zum Schützen von Komponenten benutzt werden, die Umgebungen hoher Temperatur ausgesetzt sind, wie der feindlichen thermischen Umgebung eines Gasturbinen-Triebwerkes. Mehr im Besonderen ist diese Erfindung auf die Kombination eines Substrates aus Nickelbasis-Superlegierung, die zur Bildung nachteiliger Reaktionen mit Aluminium-haltigen Überzügen neigt, und einem vorwiegend aus γ'(N)-Phase bestehenden Nickelaluminid-Decküberzug gerichtet, der das Auftreten solcher Reaktionen vermindert, wenn er als ein Umweltüberzug oder als ein Bindeüberzug auf dem Superlegierungs-Substrat benutzt wird.
Gewisse Komponenten der Turbine, Brenner- und Verstärker-Abschnitte, die für Beschädigung durch Oxidation und Hitzekorrosions-Angriff empfindlich sind, werden typischerweise durch einen Umweltüberzug und wahlweise einen Wärmesperrenüberzug (TBC) geschützt, in welchem Falle der Umweltüberzug als Bindeüberzug bezeichnet wird, der in Kombination mit dem TBC bildet, was als ein TBC-System bezeichnet werden kann. Umweltüberzüge und TBC-Bindeüberzüge werden häufig aus einer oxidationsbeständigen Aluminium-haltigen Legierung oder intermetallischen Verbindung gebildet, deren Aluminiumgehalt für das langsame Wachsen einer fest haftenden, zusammenhängenden Aluminiumoxid-Schicht (Aluminiumoxidhaut) bei erhöhten Temperaturen sorgt. Dieses thermisch gewachsene Oxid (TGO) sorgt für Schutz vor Oxidation und Hitzekorrosion und im Falle eines Bindeüberzuges fördert es eine chemische Bindung mit dem TBC. Es existiert jedoch eine Fehlanpassung der Wärmeausdehnung zwischen metallischen Bindeüberzügen, ihrer Aluminiumhaut und dem darüber liegenden keramischen TBC und durch diese Fehlanpassung erzeugte Abzieh-Spannungen erhöhen sich im Laufe der Zeit bis zu dem Punkt, an dem die TBC-Abspaltung als ein Resultat von Rissen auftreten kann, die sich an der Grenzfläche zwischen dem Bindeüberzug und Aluminiumoxidhaut oder der Grenzfläche zwischen der Aluminiumoxidhaut und TBC bilden. Mehr im Besonderen wurde festgestellt, dass die Leistungsfähigkeit und Lebensdauer des Überzugsystems von Faktoren abhängt, die Spannungen einschließen, die sich aus dem Wachstum des TGO auf dem Bindeüberzug ergeben, Spannungen aufgrund der Fehlanpassung der thermischen Ausdehnung zwischen dem keramischen TBC und dem metallischen Bindeüberzug, die Bruchbeständigkeit der TGO-Grenzfläche (beeinflusst durch die Segregation von Verunreinigungen, Rauheit, Oxidtyp und anderen) und zeitabhängige und zeitunabhängige plastische Verformung des Bindeüberzuges einschließen, die zur Faltenbildung der Bindeüberzugs/TGO-Grenzfläche führen. Fortschritte im TBC-Überzugssystem betreffen daher eine Verzögerung des ersten Auftretens der Oxidabspaltung, die durch die obigen Faktoren beeinflusst wird.
Umweltüberzüge und TBC-Bindeüberzüge in weitem Gebrauch schließen Legierungen, wie MCrAlX-Decküberzüge (worin M Eisen, Cobalt und/oder Nickel ist und X Yttrium oder ein anderes Seltenerdelement ist) und Diffusions-Überzüge ein, die intermetallische Aluminiumverbindungen, vorherrschend β-Phasen-Nickelaluminid (β-NiAl) und Platinaluminide (PtAl) enthalten. Weil die TBC-Lebensdauer nicht nur von der Umweltbeständigkeit, sondern auch der Festigkeit des Bindeüberzuges abhängt, wurden Bindeüberzüge entwickelt, die in der Lage sind, eine höhere Festigkeit zu zeigen, von denen ein bemerkenswertes Beispiel β-Phasen-NiAl-Decküberzüge sind. Im Gegensatz zu den vorerwähnten MCrAlX-Decküberzügen, die metallische feste Lösungen sind, die intermetallische Phasen enthalten, ist die NiAl-β-Phase eine intermetallische Verbindung, die für Nickel-Aluminium-Zusammensetzungen existiert, die etwa 30 bis etwa 60 Atom-% Aluminium enthalten. Beispiele von β-Phasen-NiAl-Decküberzügen sind in den US-PSn 5,975,852 von Nagaraj et al.; 6,153,313 von Rigney et al.; 6,255,001 von Darolia; 6,291,084 von Darolia et al. und 6,620,524 von Pfaendtner et al. offenbart. Diese NiAl-Zusammensetzungen, die vorzugsweise ein reaktionsfähiges Element (wie Zirkonium und/oder Hafnium) oder irgendwelchen anderen Legierungsbestandteile (wie Chrom) enthalten, verbessern, wie gezeigt wurde, die Haftung eines keramischen TBC, wodurch die Abspaltungs-Beständigkeit des TBC verstärkt wird. Die Anwesenheit reaktionsfähiger Elemente, wie Zirkonium und Hafnium, in diesen β-Phasen-NiAl-Decküberzügen verbessert, wie gezeigt wurde, die Umweltbeständigkeit ebenso wie sie den Überzug festigt, in erster Linie durch Festigen der festen Lösung. Über die Löslichkeitsgrenzen der reaktionsfähigen Elemente hinaus können jedoch Ausscheidungen einer Heusler-Phase [Ni₂AlZr(Hf, Ti, Ta)] auftreten, die die Oxidationsbeständigkeit des Überzuges drastisch verringern können.
Die Eignung von Umweltüberzügen und TBC-Bindeüberzügen, die aus NiAlPt gebildet sind und γ-Phasen [(-Ni) und γ'-Phasen (N-Ni₃Al)] enthalten, wurde auch in Betracht gezogen. So wurden, z. B., in Arbeiten, die von Gleeson et al. der Iowa State University ausgeführt wurden, Ni-22Al-30Pt-Zusammensetzungen (in Atom-%; etwa Ni-6,4Al-63,5Pt in Gew.-%) bewertet, mit der Schlussfolgerung, dass die Zugabe von Platin zu γ + y'-Überzugslegierungen nützlich für ihre Oxidationsbeständigkeit ist. Es wurde weiter der Schluss gezogen, dass, weil Nickelbasis-Superlegierungen typischerweise eine γ- + γ'-Mikrostruktur aufweisen, es Vorteile für Überzüge ergibt, die auch die γ- + γ'-Struktur enthalten. Schließlich wurden auch Pt-haltige γ- + γ'-Überzüge, die durch Aufnahme weiterer reaktionsfähiger Elemente modifiziert wurden, in Betracht gezogen.
TBC-Systeme und Umweltüberzüge werden zunehmend bei Turbinen-Anwendungen eingesetzt (z. B. Brennern, Verstärkern, Turbinen-Laufschaufeln, Turbinen-Leitschaufeln usw.). Bemerkenswerte Substrat-Materialien schließen gerichtet erstarrte (DS) Legierungen, wie Rene' 142 und einkristalline (SX) Legierungen, wie Rene' N5 ein. Die Oxidations- und Hitzekorrosions-Beständigkeit eines Umweltüberzuges und die Abspaltungs-Beständigkeit eines auf einem Bindeüberzug abgeschiedenen TBC werden teilweise durch die Zusammensetzung der darunter liegenden Superlegierung und die wechselseitige Diffusion kompliziert, die zwischen der Superlegierung und dem Umweltüberzug oder Bindeüberzug auftritt. So enthalten, z. B., die oben genannten Überzugs-Materialien relativ große Mengen an Aluminium, relativ zu den Superlegierungen, die sie schützen, während Superlegierungen verschiedene Elemente enthalten, die in diesen Überzügen nicht oder nur in relativ geringen Mengen vorhanden sind. Während der Überzugs-Abscheidung tritt eine primäre Diffusionszone des chemischen Vermischens zu einem gewissen Grade zwischen dem Überzug und dem Superlegierungs-Substrat als ein Resultat der Konzentrations-Gradienten der Bestandteile auf.
Zur Veranschaulichung zeigt 1 einen Umweltüberzug 24, der über einem Nickelbais-Superlegierungssubstrat 22 liegt. Wie bei vielen Nickelbasis-Superlegierungen ist eine primäre Diffusionszone 30 in dem Substrat 22 unterhalb des Überzuges 24 ersichtlich, wie sie sich aus einem Aussetzen gegenüber hoher Temperatur ergeben wurde. Die primäre Diffusionszone 30 wird durch einen Gehalt topologisch dicht gepackter (TCP) Phasen 32 in der γ-Matrixphase 34 des Nickelbasis-Superlegierungssubstrates 22 repräsentiert. Das Auftreten einer mäßigen Menge von TCP-Phasen 32 unterhalb des Überzuges 24 ist typischerweise nicht nachteilig. Bei erhöhten Temperaturen tritt eine weitere gegenseitige Diffusion als Resultat der Festkörperdiffusion über die Substrat/Überzugs-Grenzfläche ein. Diese zusätzliche Wanderung von Elementen über die Substrat-Überzugs-Grenzfläche kann die chemische Zusammensetzung und Mikrostruktur sowohl des Überzuges als auch des Substrates in der Nähe der Grenzfläche genügend ändern, um nachteilige Auswirkungen zu haben. So verringert, z. B., die Wanderung von Aluminium aus dem Überzug seine Oxidationsbeständigkeit, während die Ansammlung von Aluminium in dem Substrat 22 unterhalb des Überzuges in der Bildung einer nachteiligen sekundären Reaktionszone (SRZ) 36 unterhalb der primären Diffusionszone 30 resultieren kann. Gewisse hochfeste Nickelbasis-Superlegierungen, die signifikante Mengen hochschmelzender Elemente, wie Wolfram, Tantal, Molybdän, Chrom und insbesondere Rhenium, enthalten, neigen zur Bildung von SRZ 36, die nadelförmige Ausscheidungsphasen 38 (wie Phasen und TCP-Phasen von Rhenium, Wolfram und/oder Tantal) in einer γ'-Matrixphase 40 enthält (folglich charakterisiert sind durch eine γ/γ'-Umkehr mit Bezug auf das Substrat 22). Weil die Grenzfläche zwischen SRZ-Bestandteilen und dem ursprünglichen Substrat 22 eine Grenze großen Winkels ist, die keine Verformung toleriert, reiben die SRZ 36 und seine Grenzen leicht unter Spannung, was die Last tragende Fähigkeit der Legierung drastisch verringert.
Bemerkenswerte Beispiele von Superlegierungen, die zur nachteiligen SRZ-Bildung neigen, schließen einkristalline Nickelbasis-Superlegierungen der vierten Generation ein, die in den US-PSn 5,455,120 und 5,482,789 offenbart sind und kommerziell als Rene' N6 bzw. MX4 bekannt sind. Es hat weitergehende Anstrengungen gegeben, Überzugs-Systeme und Überzugs-Verfahren zu entwickeln, die die Bildung von SRZ in Legierungen mit hohem Anteil an hochschmelzenden Bestandteilen, die mit Diffusionsaluminid und Decküberzügen versehen sind, beträchtlich zu verringern oder zu beseitigen. So sind, z. B., Rhenium-haltige Diffusionssperrschichten in der US-PS 6,306,524 von Spitsberg et al. und den anhängigen US-Patentanmeldungen Serial Nr. 09/681,821; 09/683,700 und 10/605,860 von Zhao et al. offenbart. Selbst mit solchen Fortschritten verbleibt eine beträchtliche und fortgesetzte Anstrengung, um die Wirksamkeit von Umweltüberzügen und TBC-Bindeüberzugen weiter zu verbessern, während irgendwelche nachteiligen Auswirkungen, die diese Überzüge auf das Substrat haben können, das sie schützen, gemildert werden.
Die vorliegende Erfindung schafft im Allgemeinen die Kombination eines Superlegierung-Substrates und eines Decküberzuges, der umweltmäßig das Substrat schützt, wenn es einer feindlichen thermischen Umgebung ausgesetzt wird, wie sie in den Turbinen-, Brenner und Verstärker-Abschnitten von Gasturbinen-Triebwerken gefunden werden. Die Erfindung ist besonders auf Substrate aus Nickelbasis-Superlegierung gerichtet, die zur Bildung nachteiliger SRZ neigen, und auf einen vorwiegend γ'-Phasen-Nickelaluminid(Ni₃Al)-Decküberzug, der das Auftreten von SRZ verringert, wenn er als ein Umweltüberzug oder als ein Bindeüberzug für einen Wärmesperrenüberzug (TBC) auf dem Superlegierungs-Substrat benutzt wird. Das γ'-Phasen-Nickelaluminid, das in der vorliegenden Erfindung eingesetzt wird, ist eines von zwei stabilen intermetallischen Verbindungen von Nickel und Aluminium. Die γ'-Phase existiert für NiAl-Zusammensetzungen, die Nickel und Aluminium in einem Atomverhältnis von etwa 3:1 enthalten, während β-Phasen-Nickelaluminid (NiAl) für NiAl-Zusammensetzungen existiert, die Nickel und Aluminium in einem Atomverhältnis von etwa 1:1 enthalten. γ'-Phasen-Nickelaluminid hat eine Nominalzusammensetzung, bezogen auf das Gewicht, von etwa 86,7% Nickel und etwa 13,3% Aluminium, im Gegensatz zur β-Phase mit einer Nominalzusammensetzung, bezogen auf das Gewicht, von etwa 68,5% Nickel und etwa 31,5% Aluminium. Die γ'-Phasen-Nickelaluminid-Decküberzüge dieser Erfindung sind daher zusammensetzungsmäßig von den β-Phasen-NiAl-Decküberzügen ebenso wie den Diffusionsaluminid-Überzügen zu unterscheiden, die vorwiegend β-Phasen-NiAl sind.
Gemäß der Erfindung wird ein Gegenstand bereitgestellt, der ein Nickelbasis-Superlegierungssubstrat aufweist, das Aluminium und mindestens ein Element enthält, das das Substrat empfindlich für die Bildung einer sekundären Reaktionszone macht. Ein Überzugssystem liegt auf dem Superlegierungs-Substrat und schließt einen chromhaltigen intermetallischen Nickelaluminid-Decküberzug aus vorwiegend der γ'-Phase ein. Der intermetallische Decküberzug enthält 2 bis 5 Gew.-% Chrom und enthält Aluminium in einer Menge etwa gleich dem Aluminiumgehalt des Superlegierungs-Substrates, um die Diffusion von Aluminium aus dem Decküberzug in das Substrat zu verhindern.
In Anbetracht des Obigen macht die Erfindung Gebrauch von einer Kombination aus einem Superlegierungs-Substrat und einem Überzug, bei der die Zusammensetzungen des Substrates und des Überzuges hinsichtlich des Aluminiumgehaltes chemisch ähnlich sind. Als ein Resultat gibt es eine verringerte Neigung des Aluminiums aus dem Überzug in das Substrat zu diffundieren und dadurch die Wahrscheinlichkeit zu verringern, das sich SRZ im Substrat bildet. Die Kombination aus Superlegierungs-Substrat und Decküberzug dieser Erfindung ist besonders vorteilhaft, wo das Substrat aus einer hochfesten Nickelbasis-Superlegierung gebildet ist, die eine signifikante Menge hochschmelzender Elemente, wie Rhenium, Wolfram, Tantal, Hafnium, Molybdän, Niob und Zirkonium, enthält, von denen bekannt ist, dass sie die Bildung nachteiliger SRZ fördern, die als ein Resultat der Diffusion von Aluminium aus einem Aluminium-haltigen Überzug TCP-Phasen enthält.
Zusätzlich zum Obigen wird davon ausgegangen, das intermetallische γ'-Phasen-Nickelaluminid-Decküberzüge, die für den Einsatz in dieser Erfindung geeignet sind, eine Anzahl zusätzlicher Vorteile gegenüber existierenden Deck- und Diffusionsüberzügen aufweisen, die als Umweltüberzüge und Bindeüberzüge für TBC benutzt werden. Die γ'-Phase (Ni₃Al) ist fester als die β-Phase (NiAl), was es den Decküberzügen dieser Erfindung gestattet, das Abspalten besser zu verhindern, das durch mit Spannung in Beziehung stehenden Faktoren erfolgt. Zusätzliche Vorteile werden als ein Resultat der größeren Löslichkeit reaktionsfähiger Elemente in der γ'-Phase als möglich angesehen, sodass größere Zugaben dieser Elemente in den Decküberzug eingebaut werden können, um die Umweltbeständigkeit und Festigkeit des Überzuges weiter zu verbessern.
Die Erfindung wird nun detaillierter beispielhaft unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben, in der zeigen:
1 eine Querschnittsansicht durch einen Abschnitt eines Substrates, auf dem ein Aluminium-haltiger Überzug abgeschieden wurde und in dem sich als Resultat der wechselseitigen Diffusion zwischen Substrat und Überzug eine sekundäre Reaktionszone gebildet hat,
2 eine perspektivische Ansicht einer Hochdruck-Turbinenlaufschaufel,
3 eine Querschnittsansicht der Laufschaufel nach 2 entlang der Linie 2-2, die ein Wärmesperren-Überzugssystem auf der Laufschaufel gemäß einer Ausführungsform dieser Erfindung zeigt,
4 eine grafische Darstellung, die geeignete Zusammensetzungsbereiche für Nickel, Aluminium und Chrom in einem intermetallischen γ'-Phasen-Nickelaluminid-Decküberzug dieser Erfindung zeigt,
5 und 6 grafische Darstellungen der Variationen von Nickel-, Aluminium-, Cobalt- und Platinniveaus in Nickelbasis-Superlegierungssubstraten und intermetallischen γ'-Phasen-Nickelaluminid-Decküberzügen, die gemäß dieser Erfindung darauf abgeschieden sind.
Die vorliegende Erfindung ist allgemein anwendbar auf Komponenten, die in Umgebungen betrieben werden, die durch relativ hohe Temperaturen charakterisiert sind, und die daher schweren thermischen Spannungen und thermischen Zyklen ausgesetzt sind. Zu nennende Beispiele solcher Komponenten schließen die Hoch- und Niederdruck-Turbinendüsen und -Laufschaufeln, Umhüllungen, Brennerauskleidungen und Verstärkerteile von Gasturbinen-Triebwerken ein. Ein solches Beispiel ist die in 2 gezeigte Hochdruckturbinen-Laufschaufel 10. Die Laufschaufel 10 schließt allgemein einen Flügel 12 ein, gegen den heiße Verbrennungsgase während des Betriebes des Gasturbinen-Triebwerkes gerichtet werden und dessen Oberfläche daher einem schweren Angriff durch Oxidation, Korrosion und Erosion unterworfen ist. Der Flügel 12 ist mit einem Schwalbenschwanz 14, der auf einem Wurzelabschnitt 16 der Laufschaufel 10 ausgebildet ist, an einer (nicht gezeigten) Turbinenscheibe verankert. Während die Vorteile dieser Erfindung unter Bezugnahme auf die in 2 gezeigte Hochdruckturbinen-Laufschaufel 12 beschrieben werden, sind die Lehren dieser Erfindung allgemein anwendbar auf irgendeine Komponente, auf der ein Überzugssystem benutzt werden kann, um die Komponente vor ihrer Umgebung zu schützen.
In 3 ist ein Oberflächenbereich der Laufschaufel 10 dargestellt, der ein TBC-System 20 auf dem Superlegierungs-Substrat 22 der Laufschaufel 10 zeigt. Das Substrat 22 (Laufschaufel 10) ist eine Hochtemperatur-Nickelbasis-Superlegierung einer Art, die Nutzen hat von den Lehren dieser Erfindung, da das Substrat 22 zur Bildung von SRZ neigt (wie oben unter Bezugnahme auf 1 beschrieben). Superlegierungen, die zur SRZ-Bildung neigen, schließen solche ein, die ein oder mehrere hochschmelzende Metalle, wie Tantal, Wolfram, Molybdän, Rhenium und Hafnium, enthalten. SRZ-Bildung ist besonders vorherrschend in Superlegierungen, die 3 Gew.-% oder mehr Rhenium enthalten, von denen zwei Beispiel die oben erwähnten MX4- und N6-Legierungen sind. MX4 hat eine Zusammensetzung, bezogen auf das Gewicht, von 0,4% bis 6,5% Ruthenium, 4,5% bis 5,75% Rhenium, 5,8% bis 10,7% Tantal, 4,25% bis 17,0% Cobalt, bis zu 1,0% Hafnium, bis zu 0,06% Kohlenstoff, bis zu 0,01% Bor, bis zu 0,02% Yttrium, 0,9% bis 2,0% Molybdän, 1,25% bis 6,0% Chrom, bis zu 1,0% Niob, 5,0% bis 6,6% Aluminium, bis zu 1,0% Titan, 3,0% bis 7,5% Wolfram, einen Molybdän + Chrom + Niob-Gehalt von 2,15% bis 9,0%, einen Aluminium + Titan + Wolfram-Gehalt von 8,0% bis 15,1%, Rest sind Nickel und übliche Verunreinigungen. N6 hat eine Zusammensetzung, bezogen auf das Gewicht, von etwa 5,1% bis 5,6% Rhenium, etwa 5% bis weniger als 6,25% Aluminium, etwa 4,0% bis etwa 6% Chrom, etwa 0,5% bis etwa 2,0% Molybdän, die Kombination von Chrom + Molybdän von etwa 4,6% bis 6,5%, etwa 7% bis weniger als 9,25% Tantal, etwa 10% bis 15% Cobalt, etwa 5% bis 6,5% Wolfram, etwa 0,1% bis 1,0% Hafnium, etwa 0,02% bis 0,07% Kohlenstoff, etwa 0,003% bis 0,01% Bor, etwa 0% bis 0,03% Yttrium, etwa 0% bis 6% Ruthenium, etwa 0% bis 1% Niob, Rest sind Nickel und übliche Verunreinigungen. Eine andere Nickelbasis-Superlegierung von Interesse für die Erfindung ist Rene' N5 ( US-PS 6,074,602 ), die eine Zusammensetzung, bezogen auf das Gewicht, von etwa 5 bis 10% Chrom, 5 bis 10% Cobalt, 0 bis 2% Molybdän, 3 bis 8% Wolfram, 3 bis 8% Tantal, 0 bis 2% Titan, 5 bis 7% Aluminium, bis zu 6% Rhenium, 0,08 bis 0,2% Hafnium, 0,03 bis 0,07% Kohlenstoff, 0,003 bis 0,006% Bor und 0,0 bis 0,04% Yttrium, Rest Nickel und übliche Verunreinigungen, aufweist.
Wie in 3 gezeigt, schließt das Überzugssystem 20 eine Keramikschicht (TBC) 26 ein, die mit einem Decküberzug 24, der daher als ein Bindeüberzug für die TBC 26 dient, an das Laufschaufel-Substrat 22 gebunden ist. Um die dehnungstolerante säulenförmige Kornstruktur zu erhalten, die in 3 gezeigt ist, wird die TBC 26 vorzugsweise durch physikalische Dampfabscheidung (PVD) abgeschieden, obwohl andere Abscheidungstechniken benutzt werden könnten, einschließlich thermischer Spritzverfahren. Ein bevorzugtes Material für die TBC 26 ist ein Yttriumoxid-stabilisiertes Zirkoniumdioxid (YSZ), wobei eine geeignete Zusammensetzung etwa 3 bis etwa 20 Gew.-% Yttriumoxid (3–20% YSZ) aufweist, obwohl andere Keramikmaterialien benutzt werden könnten, wie Yttriumoxid, nicht stabilisiertes Zirkoniumdioxid und mit anderen Oxiden stabilisiertes Zirkoniumdioxid. Zu nennende alternative Materialien für die TBC 26 schließen solche ein, die derart formuliert sind, dass sie geringere Koeffizienten der Wärmeleitfähigkeit (geringes k) als 7% YSZ aufweisen, von denen Beispiele in der US-PS 6,586,115 von Rigney et al., US-PS 6,686,060 von Bruce et al., US-Patentanmeldung Serial Nrn. 10/063,962 von Bruce; 10/064,785 von Darolia et al. und 10/064,939 von Bruce et al. und der US-PS 6,025,078 von Rickerby offenbart sind. Noch andere geeignete Keramikmaterialien für die TBC 26 schließen solche ein, die der Abspaltung bei Verunreinigung durch Verbindungen wie CMAS (ein Eutektikum von Calciumoxid, Magnesiumoxid, Aluminiumoxid uns Siliciumdioxid) widerstehen. Die TBC kann, z. B., aus einem Material gebildet werden, das zur Wechselwirkung mit geschmolzenem CMAS unter Bildung einer Verbindung mit einem Schmelzpunkt in der Lage ist, der signifikant höher ist als der von CMAS, sodass das Reaktionsprodukt von CMAS und dem Material nicht schmilzt und die TBC nicht infiltriert. Beispiele CMAS-beständiger Überzüge schließen Aluminiumoxid, Aluminiumoxid-haltiges YSZ und Keramiken auf Hafniumdioxid-Basis ein, die in den US-PSn 5,660,885 ; 5,683,825 ; 5,871,820 ; 5,914,189 und 6,627,323 und den US-Patentanmeldungen Serial Nrn. 10/064,939 und 10/073,564 offenbart sind. Andere potenzielle Keramikmaterialien für die TBC schließen solche ein, die derart formuliert sind, dass sie eine bessere Erosions- und/oder Schlagbeständigkeit als 7% YSZ aufweisen. Beispiele solcher Materialien schließen gewisse der oben erwähnten CMAS-beständigen Materialien ein, insbesondere Aluminiumoxid, wie in der US-PS 5,683,825 und der US-Patentanmeldung Serial Nr. 10/073,584 berichtet. Andere Erosions- und schlagbeständige Zusammensetzungen schließen YSZ mit verringerter Porosität ein, wie in den US-Patentanmeldungen Serial Nrn. 10/707,197 und 10/708,020 offenbart, vollständig stabilisiertes Zirkoniumdioxid (z. B. mehr als 17% YSZ), wie in der US-Patentanmeldung Serial Nr. 10/708,020 offenbart, und chemisch modifizierte Keramiken auf der Grundlage von Zirkoniumdioxid. Die TBC 26 ist bis zu einer Dicke abgeschieden, die genügt, den erforderlichen thermischen Schutz für das darunter liegende Substrat 22 und die darunter liegende Laufschaufel 10 zu bieten, allgemein in der Größenordnung von etwa 100 bis etwa 300 μm.
Wie bei TBC-Systemen nach dem Stande der Technik, hat die Oberfläche des Decküberzuges 24 eine Zusammensetzung, die beim Aussetzen gegnüber einer oxidierenden Umgebung eine Aluminiumoxid-Oberflächenschicht (Aluminiumoxidhaut) 28 bildet, an die die TBC 26 chemisch gebunden ist. Gemäß der Erfindung ist der Decküberzug 24 voriegend γ'-Phasen-Nickelaluminid (Ni₃Al), vorzugsweise mit beschränkten Legierungszusätzen. In Abhängigkeit von seiner Zusammensetzung kann der Decküberzug 24 unter Anwendung eines einzigen Abscheidungsverfahrens oder einer Kombination von Verfahren abgeschieden werden. Eine angemessene Dicke des Decküberzuges 24 beträgt etwa 50 μm, um das darunter liegende Substrat 22 zu schützen und eine angemessene Zufuhr an Aluminium für die Bildung der Aluminiumhaut 28 zu ergeben, obwohl Dicken von etwa 12 bis etwa 100 μm als geeignet angesehen werden.
Um vorwiegend die intermetallische γ'-Phase aufzuweisen, enthält der Decküberzug 24 dieser Erfindung vorzugsweise Nickel und Aluminium in einem Atomverhältnis von etwa 3:1, was auf einer Gewichtsbasis etwa 86,7 zu 13,3 beträgt. Gemäß einem bevorzugten Aspekt der Erfindung kann bei weiteren Legierungszusätzen der Aluminiumgehalt des Decküberzuges 24 so gering sein wie etwa 6 Gew.-% und noch immer genügen, um die erwünschte Aluminiumoxidhaut 28 zu bilden. Eine obere Grenze des Aluminiumgehaltes von etwa 15 Gew.-% ist allgemein erforderlich, um innerhalb des γ'-Gebietes zu bleiben. Gemäß der Erfindung liegt das Aluminiumniveau des Überzuges 24 jedoch bei oder nahe dem Aluminiumniveau im Substrat 22. Wird er als ein Umweltüberzug oder Bindeüberzug auf den oben erwähnten MX4- oder N6-Superlegierungen (maximale Aluminiumgehalte von 6,6 bzw. 6,25 Gew.-%) eingesetzt, dann hat der Überzug 24 vorzugsweise einen Aluminiumgehalt von nicht mehr als etwa 8,5 Gew.-%.
Legierungszugaben für den Überzug 24 schließen Chrom und vorzugsweise Platingruppenmetalle (Platin, Rhodium, Palladium und Iridium), reaktionsfähige Elemente, wie Zirkonium, Hafnium, Yttrium, Cer usw. sowie Silicium ein. Der Chromgehalt beträgt 2 bis 5 Gew.-% Chrom. Chrom ist ein erwünschter Zusatz, da er die Korrosionsbeständigkeit des Decküberzuges 24 fördert und die Bildung der Aluminiumoxidhaut 28 unterstützt, besonders wenn der Aluminiumgehalt des Überzuges 24 nahe dem unteren Ende des oben erwähnten Bereiches für Aluminium liegt. Diese bevorzugte Beziehung zwischen dem Aluminium- und Chromgehalt ist in 4 gezeigt und in der US-Patentanmeldung (Anwalts-Aktenzeichen 151124) diskutiert, die gleichzeitig mit dieser Anmeldung eingereicht wurde. Chromgehalte oberhalb etwa 5 Gew.-% werden als nachteilig angesehen. So verfeinern höhere Chromgehalte die Aluminiumoxid-Korngröße, was zu höheren Oxidationsraten führt und die Bildung nicht schützender Cr₂O₃-Haut, im Gegensatz zu der erwünschten Aluminiumoxidhaut 28, fördert. Höhere Chromgehalte riskieren auch die Bildung flüchtigen Chromtrioxids (CrO₃) und können die Formbarkeit der γ'-Phasen-Zusammensetzungen verringern. Dieser Aspekt ist wichtig bei der Herstellung von Barren, die als Quellenmaterial benutzt werden würden, wenn man den Überzug 24 durch Ionenplasma-Abscheidung oder EBPVD abscheidet.
Platin (und andere Platingruppenmetalle) haben bekanntermaßen eine nützliche Auswirkung auf konventionelle Diffusionsaluminid-Überzüge. Werden sie zu der vorwiegend γ'-Phase des Decküberzuges 24 dieser Erfindung hinzugegeben, dann haben Platingruppenmetalle, wie gezeigt wurde, die Oxidationsbeständigkeit durch Verbessern der Fähigkeit des Überzuges 24 verbessert, eine haftende Aluminiumoxidhaut zu bilden. Ausgezeichnete Oxidationbeständigkeit, gemessen durch Gewichtszunahme und der Geschwindigkeitskonstanten (kp), wurden auch erzielt mit gewissen intermetallischen Ni-Al-Pt-Zusammensetzungen. Ein Platingruppenmetall-Gehalt von bis zu etwa 60 Gew.-% wird für vorteilhaft für den γ'-Phasen-Decküberzug 24 gehalten. Ein Platingruppenmetall-Gehalt von etwa 50 bis 60 Gew.-% ist erwünscht auf der Grundlage der Verringerung der Menge von Aluminium zu der des Substrates 22, während sie noch immer bei einem genügenden Niveau in dem Überzug 24 liegt, um die ewünschte γ'-Phase mit Nickel zu bilden.
Die Zugabe von ein oder mehr reaktionsfähigen Elementen zu dem Decküberzug 24 in einer kombinierten Menge von mindestens 0,5 Gew.-% ist bevorzugt, um die Korrosionsbeständigkeit und Festigkeit der γ'-Phase zu fördern. Ein kombinierter oder individueller Gehalt reaktionsfähiger Elemente von oberhalb etwa 4 Gew.-% wird für nachteilig gehalten aufgrund der Löslichkeitsgrenzen der einzelnen Elemente in der γ'-Phase und der nachteiligen Auswirkung, die diese Elemente auf die Duktilität der γ'-Phase oberhalb dieses Niveaus haben.
Beschränkte Zugaben von Silicium haben, so wird angenommen, eine starke nützliche Auswirkung auf die Oxidationsbeständigkeit in γ'-Phasen-Zusammensetzungen. Silicium muss jedoch auf nicht mehr als etwa 2 Gew.-% kontrolliert werden, um eine zu starke wechselseitige Diffusion in das Substrat 22 zu vermeiden.
Auf der Grundlage des Obigen kann der Nickelgehalt des Überzuges 24 so hoch wie etwa 90 Gew.-% sein (wenn Aluminium und Chrom die einzigen anderen Bestandteile des Überzuges 24 sind), um sicherzustellen, dass der Überzug 24 vorwiegend γ'-Phase aufweist. Andererseits können Nickelgehalte von so wenig wie etwa 20 Gew.-% existieren, wenn der Überzug 24 die maximalen Niveaus von Chrom, reaktionsfähigen Elementen, Silicium und Platingruppenmetall enthält. Für diese Überzüge, die Chrom, reaktionsfähige Elemente und Aluminium bei oder nahe dem Aluminiumniveau des Substrates 22 enthalten (z. B. etwa 6,0 bis etwa 8,5 Gew.-% Aluminium), liegt der Nickelgehalt im Allgemeinen vorzugsweise in einem Bereich von etwa 84,5 bis etwa 86 Gew.-%, um die erwünschte γ'-Phase mit Aluminium zu bilden.
5 und 6 sind grafische Darstellungen der N6- bzw. MX4-Superlegierungen, auf denen der Überzug 24 dieser Erfindung abgeschieden wurde. Es sind der Einfachheit halber nur die Nickel-, Aluminium-, Platin- und Cobaltniveaus aufgetragen. Auf der Grundlage der N6- und MX4-Zusammensetzungen schlossen andere Bestandteile, die in den Überzügen 24 vorhanden waren, Wolfram, Rhenium, Tantal, Molybdän usw. (kombiniert etwa 5 bis 8 Gew.-%) ein, die von ihren darunter liegenden Substraten in die Überzüge 24 eindiffundierten. Die ”Senke” im Aluminiumgehalt, die allgemein an der Grenzfläche zwischen jedem Überzug und seinem Substrat angeordnet ist, wurde der Diffusion von Aluminium aus den Substraten in die Überzüge zugeschrieben.

Claims

Gegenstand (10), umfassend: ein Substrat (22) aus Superlegierung auf Nickelgrundlage, enthaltend Aluminium und mindestens ein Element, das das Substrat (22) empfänglich für die Bildung einer sekundären Reaktionszone (36) macht, und ein Überzugssystem (20) auf dem Superlegierungssubstrat (22), wobei das Überzugssystem (20) einen intermetallischen chromhaltigen Nickelaluminid-Decküberzug (24) aus vorwiegend der Gamma'-Phase umfasst, wobei der intermetallische Decküberzug (24) 2 bis 5 Gew.-% Chrom enthält und Aluminium in einer Menge enthält, die etwa gleich dem Aluminiumgehalt des Superlegierungssubstrats (22) ist, um eine Diffusion von Aluminium aus dem Decküberzug (24) in das Superlegierungssubstrat (22) zu verhindern.
Gegenstand (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Element mindestens ein schwer schmelzbares Metall ist, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus etwa Tantal, Wolfram, Molybdän, Rhenium und Hafnium.
Gegenstand (10) nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Superlegierungssubstrat mindestens 3 Gew.-% Rhenium enthält.
Gegenstand (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Superlegierungssubstrat, bezogen auf das Gewicht, aus 0,4% bis 6,5% Ruthenium, 4,5% bis 5,75% Rhenium, 4,8% bis 10,7% Tantal, 4,25% bis 17,0% Kobalt, bis zu 1,0% Hafnium, bis zu 0,06% Kohlenstoff, bis zu 0,01% Bor, bis zu 0,02% Yttrium, 0,9% bis 2,0% Molybdän, 1,25% bis 6,0% Chrom, bis zu 1,0% Niob, 5,0% bis 6,6% Aluminium, bis zu 1,0% Titan, 3,0% bis 7,5% Wolfram besteht und dadurch gekennzeichnet ist, dass die Summe von Molybdän plus Chrom plus Niob 2,15% bis 9,0% beträgt und dadurch gekennzeichnet, dass die Summe von Aluminium plus Titan plus Wolfram 8,0% bis 15,1% beträgt, Rest Nickel und übliche Verunreinigungen.
Gegenstand (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Superlegierungssubstrat, bezogen auf das Gewicht, aus 5,1% bis 5,6% Rhenium, 5,0% bis weniger als 6,25% Aluminium, 4,0% bis 6,0% Chrom, 0,5% bis 2,0% Molybdän, der Kombination von Chrom plus Molybdän von 4,6% bis 6,5%, 7% bis weniger als 9,25% Tantal, 10% bis 15% Kobalt, 5% bis 6,5% Wolfram, 0,1% bis 1,0% Hafnium, 0,02% bis 0,07% Kohlenstoff, 0,003% bis 0,01 Bor, 0% bis 0,03% Yttrium, 0% bis 6% Ruthenium, 0% bis 1% Niob, Rest Nickel und üblichen Verunreinigungen besteht.
Gegenstand (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Decküberzug (24), bezogen auf das Gewicht, nicht mehr als 15% Aluminium enthält.
Gegenstand (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Decküberzug (24), bezogen auf das Gewicht, aus 6% bis nicht mehr als 15% Aluminium, 2% bis 5% Chrom, wahlweise bis zu 4% eines reaktionsfähigen Elementes, wahlweise bis zu 2% Silicium, wahlweise bis zu 60% mindestens eines Platingruppenmetalls, bis zu etwa 8% von Elementen, die aus dem Substrat (22) diffundiert sind und dem Rest Nickel besteht.
Gegenstand (10) nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Decküberzug (24) mindestens ein Platingruppenmetall in einer Menge bis zu 60 Gew.-% enthält.
Gegenstand (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Decküberzug (24) mindestens 0,5 Gew.-% mindestens eines von Zirkonium, Hafnium, Yttrium und Cer als dem reaktionsfähigen Element enthält.
Gegenstand (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, weiter umfassend eine thermisch isolierende Keramikschicht (26), die an dem Decküberzug (24) haftet.