DE69104568T2

DE69104568T2 - Verfahren zum Aufbringen abriebfester Schichten auf Schaufeloberflächen.

Info

Publication number: DE69104568T2
Application number: DE69104568T
Authority: DE
Inventors: Harry Edwin Eaton; Metthew Joseph Wallace
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: RTX Corp
Priority date: 1990-07-16
Filing date: 1991-07-16
Publication date: 1995-02-16
Anticipated expiration: 2011-07-17
Also published as: JP3056548B2; EP0467821B1; IL98790A; KR100250363B1; US5104293A; JPH05148609A; EP0467821A1; KR920002818A; DE69104568D1; IL98790A0

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren zum Auftragen einer Schleifschicht auf die Oberfläche einer Gasturbinentriebwerkslaufschaufel sowie eine Gasturbinentriebwerkslaufschaufel, die auf ihrer Oberfläche eine Schleifschicht hat.
Die US-A-4 386 112 von Eaton et al. beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Auftragen einer Schleifschicht auf die Oberfläche einer metallischen Gasturbinentriebwerkslaufschaufel. Die Schicht umfaßt Siliciumcarbid(SiC)-Partikeln in einer Metallmatrix, welche Nickel, etwa 15-22% Chrom und etwa 4-8% Aluminium (NiCrAl) enthält. Die Schicht wird durch Einspritzen von SiC-Partikeln und NiCrAl-Pulverpartikeln in einen herkömmlichen Plasmaspritzstrom aufgetragen. Die SiC-Partikeln werden in den Plasmastrom an einer Stelle axial stromabwärts der Stelle eingespritzt, an der NiCrAl-Pulverpartikeln in den Strom eingespritzt werden. Wie bei Plasmaspritzprozessen üblich heizt der Plasmastrom die Partikeln auf und treibt sie auf ein Substrat, wodurch eine Schleifüberzugsschicht auf dein Substrat gebildet wird.
Eaton et al. betont, daß die Einspritzstelle der Keramik- und Metallpulverpartikeln in den Spritzstrom von kritischer Bedeutung bei der Herstellung der Schleifüberzugsschicht ist. Gemäß Eaton et al. muß die Verweilzeit des Keramikpartikelstroms kurz sein, weil sonst die abgewinkelten Schneidkanten an den Keramikpartikeln zerstört werden. Weiter, die Keramikpartikeln müssen in den Spritzstrom an einer Stelle injiziert werden, die sich nahe bei dem Substrat befindet, um die Beschleunigung der Keramikpartikeln durch den Strom zu minimieren. Wenn die Geschwindigkeit der Keramikpartikeln zu hoch ist, prallen die Partikeln von dem Substart ab, wenn sie auf es auftreffen. In den Beispielen, die in Eaton et al. erläutert sind, beträgt der axiale Abstand zwischen dein Substrat und der Stelle, an welcher die Keramikpartikeln in den Spritzstrom injiziert werden, etwa 1,5 Millimeter (mm), wogegen der Abstand zwischen dem Substrat und der Stelle, an welcher die Metallpartikeln in den Spritzstrom injiziert werden, etwa 60 mm beträgt.
Die Überzugsschicht, die gebildet wird, indem die Prozeduren von Eaton et al. benutzt werden, umfaßt eine Vielzahl von einzelnen Schichten der Keramik und des Metalls; das Metall dient als eine Matrix, welche die Keramikpartikeln innerhalb der Schicht festlegt. Jede Metallschicht ist von benachbarten Schichten durch Oxidfilme getrennt. Diese Filme sind ein direktes Ergebnis des Spritzauftrags des NiCrAl-Legierungspulvers unter Verwendung von herkömmlichen Plasmaspritztechniken, d.h. in einer Luftatmosphäre.
Die Überzüge, die gemäß Eaton et al. hergestellt werden, haben eine maximale Gebrauchstemperatur von etwa 540 ºC. Oberhalb dieser Temperaturen erfährt das Matrixmaterial eine beträchtliche Oxidation, und mechanische Eigenschaften wie die Kriechfestigkeit werden verschlechtert; darüber hinaus findet eine Festkörperzustandsreaktion zwischen der Matrix und den SiC-Partikeln statt, welche die Eigenschaften der Schicht beträchtlich verschlechtert.
Trotz der Vorteile, die mit der Entwicklung von Überzügen wie den durch Eaton et al. beschriebenen verbunden sind, unterliegen diese beträchtlichen Beschränkungen; z.B., sie sind nicht zur Verwendung in dem Turbinenabschnitt eines Flugzeuggasturbinentriebwerks geeignet.
Demgemäß fährt die Industrie fort, nach einer Kombination von Matrixmaterial und Schleifmaterial zu suchen, die wesentlich bessere Eigenschaften als die durch Eaton et al. beschriebene hat. Diese Eigenschaften beinhalten Oxidationsbeständigkeit, Hochtemperaturfestigkeit, Hochtemperaturabschleifbarkeit und chemische Stabilität.
Die Verfahren nach der vorliegenden Erfindung zum Auftragen einer Schleifschicht auf die oberfläche einer Gasturbinentriebwerkslaufschaufel sind in den Ansprüchen 1 und 9 definiert, und die Gasturbinentriebwerkslaufschaufel nach der vorliegenden Erfindung, die an ihrer Oberfläche eine Schleischicht hat, ist im Anspruch 10 definiert.
Gemäß der Erfindung wird eine Schleifschicht auf die Oberfläche einer Gasturbinenlaufschaufel durch ein Verfahren aufgetragen, welches die Schritte beinhaltet Erzeugen eines nichtoxidierenden Plasmastroms und Richten des Stroms durch das stromabwärtige Ende einer Plasmaspritzdüse auf die Laufschaufeloberfläche; Injizieren von Keramik- und Metallpartikeln in den Strom an einer Stelle, die stromaufwärts des Düsenendes ist, so daß sich die Partikeln in dem Strom vermischen und erhitzt werden und auf die Oberfläche getrieben werden. Die Keramikpartikeln sind SiAlON oder kristallines Si&sub3;N&sub4; überzogen mit einer dünnen Schicht Nickel, Kobalt oder einer Nickel- oder Kobaltlegierung; und die Metallpartikeln haben eine Zusammensetzung, die in Gewichtsprozent im wesentlichen aus 0-10 Co, 6-10 Cr, 5-10 Al, 4-10 W, 2,25-8 Ta, 0-1 Hf, 0,1-0,2 Y, 0,015-0,025 C, 0-2 No, 0-3 Re, Rest Nickel, besteht.
Die Schicht nach der Erfindung ist durch 5-30 Volumenprozent keramisches Teilchenmaterial verteilt in der Metallegierungsmatrix gekennzeichnet und ist im wesentlichen frei von oxidiertem Natrixmetall. Die Schicht ist 125-375 um (Mikrometer) dick.
Bauteile, die gemäß der Erfindung hergestellt sind, sind in der Lage, bei hohen Temperaturen ohne Ausfall zu arbeiten und ständig Nuten in metallische sowie keramische Dichtungen zu schneiden. Die Schleifschichten nach der Erfindung sind bekannten Schichten hinsichtlich Leistungsfähigkeit, Herstellbarkeit und Kosten überlegen. Andere Ziele, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden im Lichte der folgenden ausführlichen Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform derselben, wie sie in der beigefügten Zeichnung gezeigt ist, deutlicher werden.
Die Figur ist eine Mikrofotografie, die die erfindungsgemäße Schleifschicht in einer Querschnittansicht zeigt.
Schleifschichten gemäß der Erfindung sind zur Verwendung an der Spitzenoberfläche von Laufschaufeln besonders geeignet, welche in dem Turbinenabschnitt von Flugzeuggasturbinentriebwerken arbeiten. Solche Laufschaufe1n reiben an stationären Dichtungsteilen, die entweder aus Metallen oder aus Keramiken hergestellt sind. Andere Verwendungszwecke in Umgebungen, die durch hohe Temperaturen und hohe Beanspruchungen gekennzeichnet sind, werden für den Fachmann auf der Hand liegen.
Die Dicke der Schleischicht nach der Erfindung liegt zwischen 125 und 375 um (Mikrometer) und beträgt vorzugsweise 250 um (Mikrometer). Das keramische Material, das als Schleifteilchenmaterial benutzt wird, hat eine hohe Temperaturfestigkeit und Stabilität und ist während des Gebrauches chemisch inert (d.h. es reagiert nicht mit der Metallmatrix, in der es angeordnet ist, und mit dem Dichtungsteil, welches es berührt). Die Metallmatrix ist oxidationsbeständig und hat eine hohe Festigkeit, insbesondere eine gute Kriechfestigkeit bei Temperatur.
Schleifschichten gemäß der Erfindung werden unter Verwendung von Plasmaspritztechniken hergestellt, die eine Mischung aus keramischen und metallischen Partikeln in einer nichtoxidierenden Umgebung erhitzen und auf die Oberfläche eines Substrats treiben. Die Notwendigkeit einer nichtoxidierenden Umgebung ist ein Schlüsselaspekt der Erfindung und einer der Hauptgründe für die überlegenen Eigenschaften der erfindungsgemäßen Schicht.
Die bevorzugte Einrichtung zum Auftragen der Schleifschicht umfaßt ein Niederdruckplasmaspritz(low pressure plasma spray oder LPPS)-System wie den Typ, der von Electro Plasma, Inc., Irvine, Kalifornien, USA, vertrieben wird. LPPS-Systeme schaffen eine Atmosphäre, die durch einen sehr niedrigen Sauerstoffpartialdruck gekennzeichnet ist, was während des Spritzprozesses eine nichtoxidierende Umgebung ergibt. Die LPPS-Spritzpistole erzeugt einen nichtoxidierenden Gasstrom hoher Temperatur und hoher Geschwindigkeit, in den die keramischen und metallischen Partikeln injiziert werden, und erzeugt gespritzte Ablagerungen, die oxidfrei und nahezu völlig dicht sind.
Andere Typen von Plasmaspritzsystemen können auch bei der Ausführung der Erfindung benutzt werden, solange sie eine nichtoxidierende Umgebung für den Spritzprozeß ergeben. Solche Systeme umfassen diejenigen, bei denen der Plasmastrom und das Substrat während des Spritzprozesses durch eine Inertgasatmosphäre abgeschirmt sind. Ein Beispiel dieses Typs von Spritzsystem wird von der Union Carbide Corporation, Indianapolis, Indiana, USA, vertrieben und ist in der Industrie als ein Argon-Mantel-System bekannt.
Das Plasmaspritzsystem sollte separate Pulverzuführeinrichtungen zum Einleiten der keramischen und der metallischen Partikeln in den Plasmaspritzstrom aufweisen. Es sollte wenigstens eine Zuführeinrichtung vorgesehen sein, die, keramische Partikeln in den Spritzstrom einleitet, und eine weitere Zuführeinrichtung, die metallische Partikeln in den Spritzstrom einleitet. Die Verwendung von solchen zweckbestimmten Pulverzuführeinrichtungen gestattet der Bedienungsperson des Spritzsystems, die Menge an keramischen und metallischen Partikeln in der gespritzten Schicht präzise zu steuern und deshalb die Eigenschaften der Schicht zu steuern.
Die keramischen und metallischen Partikeln werden in den Spritzstrom auf eine Weise eingeleitet, die sich von dem Stand der Technik unterscheidet. Der Strom wird durch das stromabwärtige Ende einer Düse an der Plasmaspritzpistole auf die Laufschaufeloberfläche gerichtet. Keramische und metallische Partikeln werden in den Strom an einer Stelle stromaufwärts des Düsenendes injiziert, so daß sich die Partikeln in dem Strom vermischen und erhitzt werden und auf die Laufschaufeloberfläche getrieben werden. Die keramischen und metallischen Partikeln werden in den Strom an ähnlichen axialen und radialen Positionen in bezug auf die Achse des Stroms eingeleitet. Die keramischen Partikeln werden durch die Düse und in den Strom unter einem Winkel von 10- 20 gegen die Stromachse eingeleitet; die metallischen Partikeln werden in den Strom unter einem Winkel von 10-20 gegen eine Linie eingeleitet, die zu der Stromachse normal ist. Die Orientierungen der Keramik- und Metallpulveranschlüsse fördern das Vermischen der Partikeln in dem Spritzstrom, von dem festgestellt worden ist, daß er gespritzte Ablagerungen besserer Qualität produziert, verglichen mit Spritzsystemen, bei denen wenig oder keine Vermischung der Partikeln in dem Strom stattfindet.
Einer der Hauptgründe für die Überlegenheit der erfindungsgemäßen Schicht im Vergleich zu bekannten Schichten steht in Beziehung zu den Materialien, die benutzt werden. Der keramische Bestandteil in der Schleifschicht nach der Erfindung hat mehrere Schlüsseleigenschaften. Erstens, die Keramik ist schleifend und behält diese Schleifeigenschaften selbst dann, wenn sie bei sehr hohen Temperaturen benutzt wird. Weiter, die Keramik ist in bezug auf das Matrixmaterial inert, in welchem sie dispergiert wird, sowie in bezug auf das Dichtungsmaterial, an dem sie schleifen soll; mit anderen Worten, sie reagiert nicht chemisch mit der Matrix oder mit der Dichtung. Schließlich, die Keramik ist in einer Form, die gestattet, sie plasmazuspritzen. Insbesondere haben die keramischen Partikeln eine Größe, die gestattet, sie effizient aus einer Pulverzuführeinrichtung in den Plasmaspritzstrom und auf die Laufschaufeloberfläche zu richten; sie haben außerdem Eigenschaften, die ihnen gestatten, an dem Substrat zu haften, auf das sie gespritzt werden.
Der keramische Bestandteil der erfindungsgemäßen Schicht wird aus der Gruppe ausgewählt, die aus Si&sub3;N&sub4; und SiAlON besteht. Diese beiden Keramiken sind ausgezeichnete Schleifmittel und sind gegenüber metallischen Matrizen und metallischen Dichtmaterialien chemisch inert. Die inerte Natur dieser Keramiken wird bei Temperaturen von bis zu 1100 ºC für Zeitspannen von bis zu wenigstens 500 Stunden beobachtet. Die bevorzugte Keramik ist polykristallines Beta-Si&sub3;N&sub4;, das durch kristalline Silicatausscheidungen an den Korngrenzen gekennzeichnet ist; amorphe und glasartige Silica an den Korngrenzen sollte minimiert werden. Oxide wie Yttriumoxid und Aluminiumoxid sind am besten in der Lage, kristalline Silicakorngrenzenphasen zu bilden; kristalline Yttriumoxidsilicate an den Si&sub3;N&sub4;-Korngrenzen werden am meisten bevorzugt und bilden sich in der Gegenwart von 2-15 Gewichtsprozent Yttriumoxid. Die bevorzugte kristalline Si&sub3;N&sub4;-Keramik wird unter dem Warenzeichen Iscanite -Schleifmittel von Iscar Ceramics, Inc., Livonia, Michigan, USA, vertrieben. Die keramischen Teilchenmaterialien, die bei der Ausführung der Erfindung benutzt werden, sollten einen nominellen Durchmesser zwischen etwa 50 und 175 um (Mikrometer) haben. Die Siebgrößen von solchen Teilchenmaterialien reichen von 0,037 bis 0,053 mm (-270 bis +400 mesh) (für nominelle 50 um (Mikrometer) Teilchenmaterialien) bis 0,149 bis 0,210 mm (-70 bis +100 mesh) (für nominelle 175 um (Mikrometer) Teilchenmaterialien). Zwei Größenbereiche werden bevorzugt: (1) 0,053 bis 0,088 mm (+170 bis -270 mesh) und (2) 0,088 bis 0,125 mm (+120 bis -170 mesh).
Die Abschleiffähigkeit der Schicht, die gemäß der Erfindung gebildet wird, ist eine Funktion des Volumenprozentwertes an keramischem Teilchenmaterial in der Schicht. Der bevorzugte Bereich von Keramik ist 5-40 Volumenprozent. Unter 5 Volumenprozent Keramik haben die Schichten keine ausreichenden Abschleifeigenschaften; Schichten, die mehr als 40 Volumenprozent Schleifmittel haben, können nicht auf eine Weise hergestellt werden, die eine dichte Metallmatrix ergibt. Die bevorzugteste Menge an Keramik beträgt 15-25 Volumenprozent.
Die Oberfläche der keramischen Partikeln sollte behandelt werden, um ihre Fähigkeit zu steigern, an der Laufschaufeloberfläche während des Spritzprozesses zu haften. Das bevorzugte Verfahren, durch das die keramischen Partikeln behandelt werden, besteht darin, sie vor dem Plasmaspritzen mit einer dünnen Schicht Metall zu überziehen. Keramische Partikeln, die mit einer Metallschicht zwischen 4 und 40 um (Mikrometer) Dicke überzogen sind, haften wesentlich besser an Metallsubstratoberflächen, wenn sie plasmagespritzt werden, als es Partikeln tun, die nicht überzogen sind. Die bevorzugte Metallüberzugsschicht wird bis zu einer Dicke von 4 bis 25 um (Mikrometer), am bevorzugtesten von 5 um (Mikrometer) aufgetragen. Die bevorzugte Zusammensetzung ist Nickel, obgleich Kobaltschichten oder Schichten, die aus einer Legierung auf Nickel- oder Kobaltbasis bestehen, benutzt werden können; herkömmliche elektrolytische oder stromlose Verfahren werden benutzt, um die Überzugsschicht aufzutragen.
Das Überziehen der Keramikpartikeln mit einer dünnen Metallschicht vergrößert die Einfangeffizienz der Keramikpartikeln in der Schleifschicht während des Spritzprozesses. Ohne den Metallüberzug sind Schichten, die mehr als 12 Volumenprozent Keramik enthalten, unter Verwendung des bevorzugten LPPS-Prozesses schwierig herzustellen; mit dem Metallüberzug lassen sich Schichten, die 20 Volumenprozent Keramik enthalten, leicht herstellen. Der Metallüberzug auf den Keramikpartikeln ergibt andere Vorteile. Insbesondere verringert er die Tendenz der Keramikpartikeln, bei dem Aufprall auf die Laufschaufeloberfläche zu zerbrechen. Es wird außerdem angenommen, daß einige der Metallpulverpartikeln und der mit Metall überzogenen Keramikpartikeln in dem Plasmaspritzstrom agglomerieren, wodurch die Tendenz der Keramikpartikeln reduziert wird, von der Laufschaufeloberfläche abzuprallen, wenn sie auf diese Oberfläche auftreffen.
Der metallische Bestandteil, der die Matrix in der Schleifschicht nach der Erfindung bildet, ist oxidationsbeständig und hat eine gute Hochtemperaturfestigkeit, insbesondere eine gute Kriechfestigkeit. Die zyklische Oxidationsbeständigkeit der Matrix sollte so sein, daß plasmagespritzte Schichten des Matrixmaterials im Gewicht (aufgrund von Oxidation) um nicht mehr als 3 Milligramm pro Quadratzentimeter (mg/cm²) nach 300 Zyklen bei 1150 ºC zunehmen. (Zyklische Oxidationstests beinhalten 50 Minuten bei 1150 ºC, gefolgt von 10 Minuten Zwangsluftkühlung; ein Zyklus ist die Kombination von einer 50-Minuten- Temperaturbeaufschlagung gefolgt von einer 10-Minuten-Periode Zwangsluftkühlung). Die Zeitstandfestigkeit der plasmagespritzten Matrix sollte wenigstens 250 Stunden bei 1095 ºC und 3,4 Megapascal (MPa) betragen. Eine unzulängliche Matrixkriechfestigkeit wird zum Ausfall der Schleifschicht im Gebrauch führen. Die Verwendung von LPPS-Techniken zum Auftragen der gespritzten Schicht trägt zum Erreichen der vorerwähnten Matrixfestigkeit beträchtlich bei. Insbesondere sind keine Oxidfilme in der gespritzten Matrix nach der Erfindung vorhanden. Solche Oxide sind in Schichten vorhanden, die durch Eaton et al. (US-A-4 386 112) beschrieben sind, und sind das Ergebnis der Verwendung von herkömmlichen Plasmaspritztechniken; Oxide in der gespritzten Matrix führen zu Produkten, die eine schlechte Kriechfestigkeit haben.
Die Fachleute erkennen, daß zahlreiche Legierungen existieren, die gute Hochtemperatureigenschaften haben. Zum Beispiel Superlegierungen, die benutzt werden, um Gasturbinenlaufschaufeln herzustellen, haben eine ausgezeichnete Kriechfestigkeit, aber eine relativ schlechte Oxidationsbeständigkeit. Oxidationsbeständige Überzugslegierungen haben im allgemeinen eine schlechte Kriechfestigkeit. Der Stand der Technik gibt keine metallischen Legierungen an, die die Kombination aus ausgezeichneter zyklischer Oxidationsbeständigkeit und ausgezeichneter Zeitstandfestigkeit aufweisen. Drei Legierungen sind nun entwickelt worden, die die Oxidationsbeständigkeit und die Legierungsfestigkeit haben, welche zur Verwendung als Matrixmaterial in der Schleifschicht nach der Erfindung erforderlich sind. Diese Zusammensetzungen sind in Tabelle I unten angegeben. Der Zusammensetzungsbereich für diese Legierungen ist, auf einer Gewichtsprozentbasis, 0-10 Co, 6-10 Cr, 5-10 Al, 4-10 W, 2,25-8 Ta, 0-1 Hf, 0,1- 0,2 Y, 0,015-0,025 C, 0-2 Mo, 0-3 Re, Rest Ni. Spezifischere Zusammensetzungsbereiche für die drei Legierungen sind, auf einer Gewichtsprozentbasis, 8-10 Cr, 5,8-7,8 Al, 8-10 W, 2,25-4,25 Ta, 0,1-0,2 Hf, 0,05-0,15 Y, 0,01-0,03 C, 0,5-1,5 Mo, Rest Ni; 8-10 Cr, 8-10 Al, 4-6 Ta, 0,1-0,2 Y, 0,01-0,03 C, Rest Ni; und 8-10 Co, 6-8 Cr, 5-7 Al, 4-6 W, 6-8 Ta, 0,4-0, 6 Hf, 0,4-0,6 Y, 0,01-0,03 C, 1-3 Re, Rest Ni. Spezifische Zusammensetzungen für die drei Legierungen sind unter angegeben. Tabelle I Matrixmaterial-Zusammensetzungen (Gewichtsprozent) Legierung Rest
Legierungen des oben beschriebenen Typs werden durch herkömmliche Vakuumzerstäubungsverarbeitung oder durch Verarbeitung mit schneller Erstarrungsgeschwindigkeit (rapid solidification rate oder RSR) in Pulverpartikeln verwandelt. Die Pulverpartikeln sollten frei von allen Arten von Oxiden oder anderen Verunreinigungen sein. Prozesse, wie diejenigen, die in der US-A-4 355 057 beschrieben sind, werden zur Herstellung von Pulver brauchbar sein; andere Prozesse sind dem Fachmann bekannt. Der nominelle Durchmesser des Pulvers, das benutzt wird, um die Matrix herzustellen, sollte in dem Bereich von 10 bis 100 um (Mikrometer), vorzugsweise 25 um (Mikrometer), sein.
Schleifschichten, die gemäß der Erfindung hergestellt werden, haben eine Kombination von Eigenschaften, die bislang nicht erzielt worden ist. Insbesondere ist der keramische Bestandteil, der bei der Erfindung benutzt wird, in bezug auf das Matrixmaterial, in das er eingebaut ist, sowie in bezug auf die Dichtmaterialien, an denen er reibt, inert. Er weist außerdem ausgezeichnete Abschleifeigenschaften auf, und zwar sogar auch dann, wenn er bei hohen Temperaturen benutzt wird. Keramische Materialien, die in bekannten Schleifschichten benutzt werden, reagierten entweder mit der Matrix oder mit den Dichtungsmaterialien oder es trat bei Ihnen eine Verschlechterung von Eigenschaften auf, wenn sie bei hohen Temperaturen benutzt wurden. Der keramische Bestandteil nach der Erfindung wird auch ohne weiteres in eine Schleifschicht in Mengen von etwa 20 Volumenprozent durch einen Plasmaspritzprozeß eingebaut. Die Legierungen, die benutzt werden, um die Metallmatrix nach der Erfindung herzustellen, haben eine ausgezeichnete Oxidationsbeständigkeit und Kriechfestigkeit. Darüber hinaus ist die Schleifschicht infolge der Verwendung einer nichtoxidierenden Plasmaspritzumgebung oxidfrei und ist nahe der theoretischen Dichte. Das Ergebnis der kombinierten vorerwähnten Eigenschaften ist eine wenig kostende Schleifschicht, die eine bessere Dauerhaftigkeit hat als Schichten, die im Stand der Technik beschrieben sind.
Die folgenden Beispiele werden die Merkmale und Vorteile der Erfindung veranschaulichen.

Beispiel I

Unter Verwendung eines Niedruckplasmaspritzsystems, das eine Düse Modell 132 umfaßte, hergestellt von Electroplasma, Inc., Irvine, Kalifornien, USA, und ausgebildet für das Einleiten von Metall- und, Keramikpartikeln in den Plasmaspritzstrom, wie oben beschrieben, wird eine Schleifschicht auf die Oberfläche eines Bauteils aufgetragen, das aus einer Gasturbinentriebwerkslaufschaufel aus einer Nickelsuperlegierung hergestellt worden ist.
Die Laufschaufel wird mit typischen Sandstrahltechniken gereinigt, gewaschen, und dann in die LPPS-Kammer eingeführt. Die Kammer wird bis hinunter auf einen Druck unter wenigstens 20 Pa (150 Mikrometer Quecksilbersäule) gepumpt. Die Kammer wird dann mit Argon oder Helium wieder auf einen Druck unter wenigstens 7315 Pa (55 mm Quecksilbersäule) aufgefüllt, und das Bauteil wird auf eine Temperatur von wenigstens etwa 840 - 930 ºC vorgewärmt. Trockene, frei strömende Metall- und Keramikpulverpartikeln werden dann in den Plasmastrom stromaufwärts des Düsenendes eingeleitet. Die Partikeln werden durch den Plasmastrom mitgenommen und auf die Laufschaufeloberfläche aufgebracht; die Keramikpartikeln sind die oben erwähnte, mit Nickel überzogene Iscanite -Keramik, die zwischen 2 und 15 Gewichtsprozent Yttrium enthielt, wobei die Metallmatrix die Legierung 2 ist, deren Zusammensetzung oben angegeben ist. Schlüsselüberzugsparameter sind im folgenden angegeben:

TABELLE 11

Überzugsparameter

Plasmaspritzpistolenleistung: 90 kW
Primärlichtbogengas: Argon
Primärlichtbogengasdruck: 2,1 MPa
Sekundärlichtbogengas: Helium
Sekundärlichtbogengasdruck: 1,5 NPa
Metallpulverdurchsatz: 60 Gramm/Minute
Keramikpulverdurchsatz: 60 Gramm/Minute
Abstand Pistole-Substrat: 30,5 Zentimeter
Pistolenbewegungsgeschwindigkeit: 17 Zentimeter/Sekunde
Die resultierende Schicht ist durch Keramikteilchenmaterial gekennzeichnet, das in der Metallmatrix gleichmäßig verteilt ist, wie es in der Figur gezeigt ist; die Schicht ist frei von Einschlüssen und anderer Verunreinigung, frei von Spänen, übermäßigen Rissen und anderen Unvollkommenheiten. Die Schicht ist wenigstens zu 93% dicht, frei von Oxiden, und enthält 20 Volumenprozent Keramikteilchenmaterial in der Metallmatrix. Die Dicke der Schicht beträgt 250 um (Mikrometer). Die Schleifschicht reibt erfolgreich an keramischen und metallischen Dichtungen in Tests, welche die Betriebsbedingungen in dem Turbinenabschnitt eines moderen Gasturbinentriebwerks simulieren.

BEISPIEL II

Testproben, die gemäß den in dem Beispiel I angegebenen Prozeduren überzogen werden, werden hergestellt, mit der Ausnahme, daß die Si&sub3;N&sub4;-Schleifteilchenmaterialien nicht mit Nickel überzogen werden, wie sie es im Beispiel I sind. Während des Plasmaspritzprozesses wird visuell beobachtet, daß viele der unüberzogenen Si&sub3;N&sub4;-Teilchenmaterialien von der Laufschaufeloberfläche abprallen, wenn sie auf diese gespritzt werden. Eine metallographische Überprüfung der gespritzten Materialien zeigt, daß wenige der keramischen Teilchenmaterialien in der Schleifschicht vorhanden sind und daß von den Teilchenmaterialien, die in der Schicht vorhanden sind, viele bei dem Spritzprozeß zerbrechen. Dieses Beispiel zeigt deshalb, daß die Verwendung von unüberzogenen keramischen Teilchenmaterialien marginal brauchbare Schleifschichten ergibt.

BEISPIEL III

Testproben, die mit den in Tabelle I angegebenen Prozeduren überzogen werden, werden hergestellt, mit der Ausnahme, daß unüberzogene SiC-Teilchenmaterialien als der keramische Bestandteil benutzt werden, statt Nickel, das mit Si&sub3;N&sub4; überzogen ist. Nach dem Auftragen der Schleifschicht zeigt die Beaufschlagung bei 1095 ºC an Luft eine starke chemische Reaktion zwischen dem SiC und der Metallmatrix an, welche die Integrität der Schicht verschlechtert und die weitere Verwendung der Schicht ausschließt. Die Probe, die in diesem Beispiel hergestellt wird, ist für den Stand der Technik repräsentativ, wie er in der US-A- 4 386 112 von Eaton et al. beschrieben ist. Für Vergleichszwecke, die Testproben des Beispiels I werden mit 1095 ºC in Luft für 500 Stunden beaufschlagt und zeigen wenig oder keine chemische Reaktion zwischen dem Si&sub3;N&sub4; und der Metallmatrix und haben ausgezeichnete Schleifeigenschaften nach der Wärmebehandlung.

BEISPIEL IV

Abtastproben werden durch Pulvermetallurgie- und isostatische Warmpreßtechniken hergestellt, um sie mit Schleifeigenschaften von mehreren Typen von Keramik zu vergleichen. Die Keramiken liegen nominell zwischen 200 und 375 um (Mikrometer) im Durchmesser und sind in einer Metallmatrix in einer Menge vorhanden, die ungefähr 20 Volumenprozent der Testprobe entspricht Die Metallmatrix hat die Zusammensetzung der Legierung 2, die oben beschrieben ist. Die ausgewerteten Keramiken waren: (1) Si&sub3;N&sub4;, dotiert mit TiN, im Handel vertrieben als Walmet Quantum 5000; (2) Si&sub3;N&sub4;, dotiert mit TiN, im Handel vertrieben als Ceratip A-65; (3) Si&sub3;N&sub4;, im Handel vertrieben als Sumitomo B-90; (4) Al&sub2;O&sub3;, im Handel vertrieben als Greenleaf 2001; (5) SiAlON, vertrieben im Handel als Kennemetal KYON 2000; (6) SiAlON, im Handel vertrieben als Sandvik CC680; und (7) mit Yttriumoxid dotiertes Si&sub3;N&sub4;, im Handel vertrieben als Iscanite -Keramik. Tests zum Vergleichen der Schleiffähigkeit der Keramiken erbrachten die folgenden Ergebnisse: TABELLE III Relatives Schneidvermögen Schleifmittel Relative Schneidfähigkeit Walmet Quantum 5000 Ceratip A-65 Sumitomo B-90 Greenleaf 2001 Kennemetal Kyon 2000 Sandvik CC680 Iscanite-Keramik schlecht sehr gut gut
Mehrere Tests sind ausgeführt worden, um die Leistungsfähigkeit der Schleifschichten auszuwerten, die gemäß den oben angegebenen Prozeduren unter Bedingungen hergestellt worden sind, welche einen Gasturbinentriebwerksbetrieb kennzeichnen. Die Schichten schleifen an einem Dichtungsteil, das entweder das Kobaltbasisgußstück ist, das die Zusammensetzung Mar-M-509 hat (Martin Marietta Corporation; nominell 23,4 Cr - 10 Ni - 0,2 Ti - 0,6 C - -7 W - 3,5 Ta - 0,5 Zr - Rest Kobalt) oder ein plasmagespritztes, zu 80% dichtes, 202NS-Gebilde (Metco Inc.; 20 Gew.% mit Yttriumoxid stabilisiertes Zirconiumoxid). Die Leistungsfähigkeit wird als das Verhältnis zwischen Dichtungsverschleiß und Schleifschichtverschleiß (bezeichnet mit VWR in Tabelle IV unten) und als das Verhältnis zwischen dem Schleifschichtverschleiß und dem kombinierten Ausmaß an Schleifschichtverschleiß und Dichtungsverschleiß (bezeichnet mit W/I in der Tabelle) gemessen. Die Menge, die als Inkursionsrate in der Tabelle angegeben ist, ist die Strecke pro Zeiteinheit (um(Mikrometer)pro Sekunde), mit der die Schleifschicht in das Dichtteil eintaucht. TABELLE IV Abschleifbarkeitstestergebnisse Schleifmittel Abdichtteil Testtemperatur (ºC) Inkursionsgeschwindigkeit Sandvik CC680 Iscanite6 Ceratip A-65

Anmerkungen:

(A) Nicht gemessen
(B) Die Oberfläche der Schleifschicht war hinterätzt, um Schleifmittel freizulegen
(C) Plasmagespritzt Ni-22Co-17Cr-12,5Al-0,6Y
(D) Plasmagespritzte Legierung 2 (vgl. Tabelle I)
In Tests zum Bestimmen des Oxidationsverhaltens der vorgenannten Keramiken während der Beaufschlagung in Luft mit 1095 ºC wurden nach 24 Stunden die folgenden Ergebnisse erzielt. TABELLE V Oxidationsverhalten, gemesen bei 1095 ºC Schleifmittel % Gewichtsgewinn Greenleaf 2001 Iscanite-Keramik Kennemetal Kyon Ceratip A-65 Sumitomo B-90 Sandvik CC680 Walmet Quantum 5000
Diese Tests zeigen, daß von den ausgewerteten Keramiken nur die Greenleaf-, Kennemetal- und Iscanite-Produkte akzeptable Hochtemperaturstabilität haben. Diese Ergebnisse zeigen in Kombination mit den Reibtests, daß das Kennemetal-Si&sub3;N&sub4;-Produkt und das Iscanite-SiALON-Produkt die besten Gesamteigenschaften haben. Angesichts des Verhaltens von Keramikpartikeln während des Plasmaspritzprozesses sollten die Partikeln mit einer Metallschicht von 4-40 um (Mikrometer), vorzugsweise aus Nickel, überzogen sein. Wenn diese Keramikpartikeln zusammen mit den Metallegierungen, die oben beschrieben sind, plasmagespritzt werden, ist das resultierende Produkt gegen oxidation beständig, hat eine hohe Festigkeit und Schleiffähigkeit im Gebrauch bei hohen Temperaturen und ist chemisch stabil.

Claims

1. Verfahren zum Auftragen einer Schleifschicht auf die Oberfläche einer Gasturbinentriebwerkslaufschaufel, beinhaltend die Schritte Erzeugen eines nichtoxidierenden Plasmaspritzstroms und Richten des Stroms durch das stromabwärtige Ende einer Plasmaspritzdüse und auf die Laufschaufeloberfläche; Injizieren von Keramikpartikeln und Metallpartikeln in den Strom an einer Stelle stromaufwärts des Düsenendes; Vermischen und Erhitzen der Partikeln in dem Strom und dann Treiben der Partikeln auf die Laufschaufeloberfläche, um die Schicht herzustellen, wobei die Keramikpartikeln ausgewählt sind aus der Gruppe von SiAlON und kristallinem Si&sub3;N&sub4;, überzogen mit einer Schicht Nickel, Kobalt oder einer Nickel- oder Kobaltlegierung, und die Metallpartikeln im wesentlichen bestehen, in Gewichtsprozent, aus 0-10 Co, 6-10 Cr, 5-10 Al, 4-10 W, 2,25-8 Ta, 0-1 Hf, 0,1-0,2 Y, 0,015-0,025 C, 0-2 Mo, 0-3 Re, Rest Ni.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Keramikpartikeln mit einer Schicht Nickel oder einer Nickellegierung überzogen werden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Dicke des Nickel- oder Nickellegierungsüberzugs etwa 4-40 um (Mikrometer) beträgt.

4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Dicke des Nickel- oder Nickellegierungsüberzugs 4-25 um (Mikrometer) beträgt.

5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Keramikpartikeln Si&sub3;N&sub4; sind, das 2-15 Gewichtsprozent Yttriumoxid enthält.

6. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Metallpartikeln im wesentlichen aus

9 Cr - 6,8 W - 3,25 Ta - 0,15 Hf - 0,1 Y - 0,02 C - 1 Mo - Rest Nickel bestehen.

7. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Metallpartikeln im wesentlichen aus 9 Cr - 9 Al - 5 Ta - 0,15 Y - 0,02 C - Rest Nickel bestehen.

8. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Metallpartikeln im wesentlichen aus 9 Co - 7 Cr - 6 Al - 5 W - 7 Ta - 0,5 Hf - 0,5 Y- -0,02 C - 2 Re - Rest Nickel bestehen.

9. Verfahren zum Auftragen einer Schleifschicht auf die Oberfläche einer Gasturbinentriebwerkslaufschaufel, die aus einer Nickelsuperlegierung besteht, beinhaltend die Schritte Erzeugen eines Plasmaspritzstroms innerhalb einer Niederdruckplasmakammer, die mit einem Inertgas auf einen Druck unterhalb von wenigstens 7315 Pa (55 mm Quecksilbersäule) aufgefüllt wird; Richten des Stroms durch das stromabwärtige Ende einer Plasmaspritzdüse innerhalb der Kammer; Injizieren von Keramikpartikeln und Metallpartikeln in den Strom an einer Stelle stromaufwärts des Düsenendes; Vermischen und Erhitzen der Partikeln in dem Strom und dann Treiben der Partikeln auf die Laufschaufeloberfläche, um die Schicht herzustellen, wobei die Keramikpartikeln kristallines Si&sub3;N&sub4; sind, einen nominellen Durchmesser zwischen 50 und 175 um (Mikrometer) haben und mit einer Schicht Nickel mit einer Dicke von 4-20 um (Mikrometer) überzogen sind und wobei die Metallpartikeln im wesentlichen, auf Gewichtsprozentbasis, aus 0- 10 Co, 6-10 Cr, 5-10 Al, 4-10 W, 2,25-8 Ta, 0-1 Hf, 0,1-0,2 Y, 0,015-0,025 C, 0-2 Mo, 0-3 Re, Rest Nickel, bestehen.

10. Gasturbinentriebwerkslaufschaufel, die auf ihrer Oberfläche eine Schleifschicht hat, welche im wesentlichen aus Keramikpartikeln in einer Metallmatrix besteht, wobei die Keramikpartikeln aus der Gruppe von SiAlON und kristallinem Si&sub3;N&sub4; ausgewählt und mit einer Schicht Nickel, Kobalt oder einer Nickel- oder Kobaltlegierung überzogen sind und die Metallmatrix, auf Gewichtsprozentbasis, im wesentlichen aus 0-10 Co, 6-10 Cr, 5-10 Al, 4-10 W, 2,25-8 Ta, 0-1 Hf, 0,1-0,2 Y, 0,015-0,025 C, 0-2 Mo, 0-3 Re, Rest Nickel, besteht und wobei die Schleifschicht 125-375 um (Mikrometer) dick ist und zwischen 5-40 Volumenprozent Keramik enthält und wobei die Matrix im wesentlichen frei von Oxiden ist.

11. Laufschaufel nach Anspruch 10, wobei die Keramikpartikeln Si&sub3;N&sub4; sind, das 2-15 Gewichtsprozent Yttriumoxid enthält.

12. Laufschaufel nach Anspruch 10, wobei die Keramikpartikeln im Durchmesser 50-175 um (Mikrometer) betragen und mit einer Schicht Nickel oder Kobalt mit einer Dicke von 4-40 um (Mikrometer) überzogen sind.

13. Laufschaufel nach Anspruch 10, wobei die Matrix im wesentlichen aus 9 Cr - 6,8 Al - 9 W - 3,25 Ta - 0,15 Hf - 0,1 Y - 0,02 C - 1 Mo - Rest Nickel besteht .

14. Laufschaufel nach Anspruch 10, wobei die Schicht 20 Volumenprozent Keramik enthält.