DE69114130T2

DE69114130T2 - Duplexbeschichtungen für verschiedene Substrate.

Info

Publication number: DE69114130T2
Application number: DE69114130T
Authority: DE
Inventors: Jean Marie Quets
Original assignee: Praxair Technology Inc
Current assignee: Praxair Technology Inc
Priority date: 1991-06-21
Filing date: 1991-06-21
Publication date: 1996-05-30
Anticipated expiration: 2011-06-22
Also published as: EP0526670B1; ES2079577T3; JPH057838A; DE69114130D1; ATE129544T1; EP0526670A1; JP2824165B2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Duplexbeschichtung, die gute Ermüdungseigenschaften zeigt und eine Unterschicht aus Wolframkarbid-Kobalt und eine Oberschicht aus keramischem Werkstoff, wie z.B. Aluminiumoxid, aufweist.
Verschiedene Rotationsdichtungen werden bei Gasturbinen verwendet, die allgemein sich drehende Teile einschließen, die über einen schmalen Zwischenraum mit einem anderen, relativ stationären Bauteil zusammenwirken. Solche Dichtungen werden in einigen Fällen zwischen stationären Teilen und einer sich drehenden Welle oder Trommel zur Aufrechterhaltung von unterschiedlichen Drücken in Kammern auf beiden Seiten der Dichtung verwendet. Beispielsweise erstreckt sich bei einer Art von Gasturbinen eine Mehrzahl von Reihen von Rotorschaufeln von einer Rotorwelle radial nach außen über einen Stromweg für die als Arbeitsmedium wirkenden Gase. Parallel dazu erstreckt sich eine Mehrzahl von Reihen von Statorschaufeln radial nach innen über den Stromweg von einem Statorgehäuse oder -mantel. Bei einigen Ausführungsformen sind die Statorschaufeln nach innen von dem Statorgehäuse aus freitragend angeordnet. Die Statorschaufeln sind angeordnet, um die Arbeitsgase zu den benachbarten Rotorschaufeln hin- oder von diesen wegzuleiten. Ein Stator weist eine Dichtungsfläche auf, welche die Schaufelspitzen in jeder Schaufelreihe umschreibt, und, bei den Ausführungsformen mit freitragenden Statorschaufeln, ist der Rotor mit einer Dichtungsfläche ausgestattet, welche die Spitzen der Statorschaufeln in jeder Reihe der Statorschaufeln umschreibt
Wenn der Abstand zwischen den Spitzen der Rotor- und Statorschaufeln in jeder Reihe und der entsprechenden Dichtungsfläche vergrößert wird, entweichen wesentliche Mengen an als Arbeitsmedium dienendem Gas in Umfangsrichtung über die Spitzen der Rotorschaufeln und/oder Statoren, was die aerodynamische Effizienz verringert. Ferner lecken zusätzliche Mengen an als Arbeitsmedium dienendem Gas in axialer Richtung über die Spitzen von dem stromabwärtigen Ende zu dem stromaufwärtigen Ende der Rotorschaufeln oder Rotoren, wenn der Abstand erhöht wird. Deshalb ist es wünschenswert, diesen Abstand minimal zu halten. Es ist jedoch ebenso notwendig, verschiedene, die Abmessungen betreffende Veränderungen anzupassen, die während des anfänglichen Hochfahrens, während thermischen Auslenkungen, Drehungen mit großem G, etc. eintreten. Im allgemeinen findet ein gewisser Verschleiß der Teile unter diesen Bedingungen, insbesondere während des Hochfahrens der Maschine, statt.
Es ist bekannt, daß eine wünschenswertere Bedingung für die Spitzen oder Schneiden darin besteht, Nuten in die entsprechenden Dichtungsflächen einzuschneiden, anstatt die Spitzen oder Schneiden einem Verschleiß auszusetzen. In US-A-4 238 170 und US-A-4 239 452 ist die Dichtungsfläche des Stators oder Mantels mit inneren Umfangsnuten versehen, welche die Schaufelspitzen umschreiben, jedoch führt diese Anordnung zu Schwierigkeiten in der Ausrichtung, während sie darin versagt, eine thermisch induzierte Axialverlagerung der Schaufeln relativ zu dem Stator oder Mantel auszugleichen.
Verschiedene Rotationsdichtungsanordnungen sind aus der Literatur bekannt, bei welchen rotierende Teile einen Weg in einem weicheren, d.h. abtragbaren, zusammenwirkenden Teil, wie z.B, gefüllte Wabenstrukturen, poröses Metall, mürbe Keramik oder ähnliches, erzeugt, einschneidet oder einschleift. Bei einigen dieser Anordnungen stellte sich heraus, daß sich eine unzulängliche Dichtung oder ein Fressen der zusammenwirkenden Teile ergeben kann. Bei anderen solchen Anordnungen können lokale "heiße Stellen" und Anbrennen von nicht abtragbaren Teilen auftreten. Beispiele von Dichtungen mit einem Verschleißteil sind in US-A-3 068 016, US-A-3 481 715, US-A-3 519 282, US-A-3 817 719, US-A-3 843 278, US-A-3 918 925, US-A-3 964 877, US-A-3 975 165, US-A-4 377 371 und US-A-4 540 336 offenbart. Die Verschleißdichtung kann abbröckeln oder abgeschliffen werden, wenn eine thermische Transiente oder eine Schockbelastung dazu führt, daß die Schaufelspitze die Dichtung streift. US- A-4 377 371 betont, daß gewisse als Verschleißdichtung verwendete Werkstoffe gegen großflächiges Absplittern anfällig sind, welches durch die Anwesenheit von Rissen in der Dichtungsoberfläche gefördert wird, und diese Schrift offenbart das Verglasen der Dichtungsoberfläche unter Verwendung eines Laserstrahls, um ein feines Netz aus Mikrorissen in der Dichtungsoberfläche herzustellen. In der Veröffentlichung "Development of Improved-Durability Plasma Sprayed Ceramic Coatings for Gas Turbine Engines" von I.E. Sumner und D. Ruckle, welche auf der AIAA/SAE/ASME 16th Joint Propulsion Conference, AIAA-80-1193 präsentiert wurde, wird berichtet, daß segmentierte, laserabgerasterte Beschichtungen eine schlechte Leistungsfähigkeit aufwiesen.
GB-A-853 314 und GB-A-1 008 526 offenbaren Turbinen- oder Kompressorschaufeln, bei denen Rippen an ihren Spitzen ausgebildet sind, um für eine Dichtung mit einem Rotor- oder Statormantel zu sorgen, wobei die Rippen oder die zusammenwirkende Dichtungsoberfläche entfernt werden können, wenn sie abgenutzt sind. US-A-4 148 494 offenbart eine Schaufel oder Statorschaufel für eine Gasturbine mit einer Verschleißspitze mit einer elektroabgeschiedenen Matrix aus Nickel oder einer Nickel enthaltenden Legierung, in welcher Verschleißpartikel wie beispielsweise Borazonpartikel eingeschlossen sind, die von der Spitze aufragen. Verschleißspitzen der Art, wie sie in diesem Patent beschrieben sind, sind schwierig herzustellen und extrem teuer. US-A-3 339 933 offenbart Schaufelzähne, die mit gebundenem Aluminiumoxid beschichtet sind und sich in damit zusammenwirkende Wabenbauteile erstrecken, um eine Dichtung zu bilden. US-A-3 537 713 offenbart eine rotierende Hülse mit nach innen vorstehenden Zähnen, die mit einem harten Schutzwerkstoff, wie beispielsweise Molybdän oder Nickelaluminid beschichtet sind, welcher ein schleiffestes Material auf einem stationären zusammenwirkenden Bauteil verlagert, um alternierende Stege und Nuten zu bilden.
US-A-4 884 820 offenbart die Laserbehandlung einer Schaufelspitze, welche mit einer keramischen oder metallischen Karbidbeschichtung beschichtet wurde, um eine Mehrzahl von lasergebildeten Vertiefungen zu bilden, welche eine verschleißfeste schneidende Oberfläche bilden, welche in einen Verschleißwerkstoff in einer Rotations-Gasdichtung einschneiden kann.
Obwohl die obigen Beschichtungen für eine hoch verschleißfeste schneidende Oberfläche für Schaufeln sorgen, haften die Beschichtungen manchmal nicht hinreichend auf den Schaufeln, um bei der Verwendung in Hochtemperaturumgebungen mit den Schaufeln verbunden zu bleiben. Beispielsweise weisen Keramikbeschichtungen, wie z.B. auf Aluminiumoxid basierende Beschichtungen, eine schwache Bindungsstärke zu Substraten wie beispielsweise Titanlegierungen auf, obwohl sie gut verschleißfeste schneidende Oberflächen für viele Substrate schaffen. Wenn jedoch das Substrat, wie beispielsweise eine Titanlegierung, mittels Sandstrahlen mit einem Abschleifwerkstoff, wie beispielsweise Aluminiumoxid-Schleifkorn, aufgeraubt wird, kann dann eine gute Bindung für die Keramikbeschichtungen erzielt werden.
Unglücklicherweise führt das Sandstrahlen im allgemeinen zu einem großen Ermüdungspotential des Substrats. Ermüdung ist das fortschreitende Ausfallsphänomen, das in Werkstoffen auftritt, wenn sie einer zyklischen Belastung bei Spannungen ausgesetzt sind, die einen Maximalwert kleiner als die Zugfestigkeit des Werkstoffes haben. Ermüdung kann generell im Bruch nach einer hinreichenden Zahl von zyklischen Belastungen kulminieren. Da eine Ermüdung dazu lührt, daß Werkstoffe früher und/oder bei geringeren Lasten als erwartet versagen, besteht ihr Gesamteffekt darin, daß entweder die nutzbare Lebensdauer der Werkstoffe bei gleicher Last verkürzt wird, oder daß die erlaubte Last für die gleiche Lebensdauer verringert wird. Aus diesem Grund ist der Einsatz von Sandstrahlen nicht erwünscht, da es zu einem Ermüdungspotential in dem Substrat führen kann.
US-A-4 826 734 offenbart Substrate, die mit Wolframkarbid-Kobaltbeschichtungen beschichtet sind, welche eine Bruchformänderung von mehr als 4,3 10&supmin;³ inch/inch aufweisen. Obwohl diese Beschichtungen für eine hinreichend verschleißfeste und schneidende Oberfläche sorgen, werden die Keramikbeschichtungen jedoch allgemein für eine wünschenswertere verschleißfeste schneidende Oberfläche zur Verwendung in der Spitze von Schaufeln für Kompressoren sorgen.
EP-A-0 266 299 offenbart Substrate, die mit einem als thermische Barriere wirkenden Beschichtungssystem beschichtet sind, welches eine Unterschicht mit im wesentlichen metallischer Zusammensetzung und eine Oberschicht aus einem keramischen Werkstoff aufweist, der im wesentlichen eine stabilisierte Zirkoniumoxidzusammensetzung ist.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Duplexbeschichtung für Substrate zu schaffen, welche gute Ermüdungseigenschaften zeigt und ebenso für eine gut verschleißfeste schneidende Oberfläche sorgt.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Duplexbeschichtung für Substrate wie beispielsweise Titan zu schaffen, welche eine Unterschicht aus Wolframkarbid-Kobalt und eine Oberschicht aus einer keramischen Beschichtung aufweist.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Duplexbeschichtung für Substrate auf Titanbasis zu schaffen, welche eine Unterschicht aus Wolframkarbid-Kobalt mit einer Bruchformänderung von mehr als 4,3 10&supmin;³ inch/inch und eine Oberschicht aus einer Beschichtung auf Aluminiumoxidbasis aufweist.
Die obigen und weitere Aufgaben werden aus der Beschreibung und der folgenden Offenbarung offensichtlicher.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Duplexbeschichtung zur Verwendung auf Substraten, mit einer Unterschicht aus Wolframkarbid-Kobalt, die eine Bruchformänderung von mehr als 4,3 10&supmin;³ cm/cm (4,3 10&supmin;³ inch/inch) hat, und mit einer Oberschicht aus einem keramischen Werkstoff geschaffen, wobei das Dickenverhältnis zwischen der Oberschicht und der Unterschicht zwischen 6:1 und 1:3 liegt.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich somit auf ein beschichtetes Werkstück mit einem Substrat, wie beispielsweise einer Titanlegierung, mit einer Unterschicht aus mit dem Substrat verbundenem Wolframkarbid-Kobalt und einer Oberschicht aus einem keramischen Werkstoff, wie z.B. einem Werkstoff auf Aluminiumoxidbasis, wobei die Oberschicht an der Unterschicht befestigt ist. Vorzugsweise sollte die Unterschicht aus Wolframkarbid-Kobalt eine Bruchformänderung von mehr als 5,0 10&supmin;³ cm/cm (5,0 10&supmin;³ inch/inch) und stärker bevorzugt von mehr als 5,5 10&supmin;³ cm/cm (5,5 10&supmin;³ inch/inch) aufweisen. Die Druckeigenspannung der Unterschicht aus Wolframkarbid-Kobalt sollte vorzugsweise zwischen etwa 207 und etwa 345 MPa (zwischen etwa 30 und etwa 50 Kilopound/inch² (KSI)) betragen. Vorzugsweise sollte die Unterschicht eine Oberflächenrauhigkeit von mindestens 2,4 um (100 uinch) Ra aufweisen, so daß die Oberschicht hinreichend auf der Unterschicht befestigt sein kann. Vorzugsweise sollte das Dickenverhältnis zwischen Oberschicht und Unterschicht zwischen 6:1 und 1:3 und stärker bevorzugt zwischen 3:1 und 1:2 liegen.
Es stellte sich heraus, daß die neuartige Duplexbeschichtung gemäß dieser Erfindung eine Unterschicht schafft, welche eine gute Bindungsstärke zu dem Substrat und gute Ermüdungseigenschaften aufweist, während die Oberschicht für eine Oberfläche mit exzellenter Verschleißfestigkeit und guten Schneideeigenschaften sorgt. Das gute Ermüdungsverhalten der Unterschicht verhindert in effektiver Weise die Fortpflanzung von jeglichen Rissen in der Oberschicht in das Substrat, wenn das beschichtete Substrat in Betrieb genommen wird, insbesondere bei einem Betrieb, wo es einer zyklischen Belastung unterworfen wird. Auf diese Weise überlebt das duplexbeschichtete Substrat dieser Erfindung unter zyklischen Lastbedingungen länger als ein beschichtetes Substrat mit nur einer Beschichtungslage aus einem keramischen Werkstoff.
Die Unterschicht dieser Erfindung weist gute Ermüdungseigenschaften und eine gute Bindungsstärke auf, und sie kann auf einem Substrat mittels beispielsweise eines Detonationskanonenverfahrens abgeschieden werden. Die Dicke der Unterschicht muß hinreichend sein, so daß sie die Ausbreitung von jeglichen Rissen in der Oberschicht stoppt, so daß die Ermüdungseigenschaften des Substrats nicht wesentlich verschlechtert werden. Für die meisten Anwendungen kann die Dicke der Oberschicht zwischen mindestens 0,051 mm (2 mils) und etwa 0,51 mm (20 mils), vorzugsweise zwischen mindestens 0,076 mm (3 mils) und etwa 0,254 mm (10 mils) liegen. Die Oberfläche der Unterschicht sollte eine Rauhigkeit von mindestens 2,4 um (100 uinch) Ra aufweisen, vorzugsweise mindestens 3,74 um (150 uinch) Ra, um die Oberschicht darauf festzuhalten, wenn sie darauf abgeschieden wird. Die Oberschicht gemäß dieser Erfindung sollte eine gut verschleißfeste, schneidende Oberfläche aufweisen und der Unterschicht so anhaften können, daß sie nicht absplittert, wenn sie ihrer beabsichtigten Verwendung unterzogen wird. Diese Oberschicht kann auf die Unterschicht mittels herkömmlichen Detonationskanonenverfahren aufgebracht werden. Bei den meisten Anwendungen sollte die Dicke der Oberschicht hinreichend sein, um für eine gut verschleißfeste schneidende Oberfläche für die beabsichtigte Anwendung zu sorgen. Im allgemeinen ware eine Dicke von mindestens 0,025 mm (1 mil) bis etwa 0,51 mm (20 mils) geeignet, wobei eine Dicke von mindestens 0,051 mm (2 mils) bis etwa 0,254 mm bis 0,381 mm (10 bis 15 mils) bevorzugt ist.
Die Unterschicht aus Wolframkarbid-Kobalt sollte zwischen etwa 7 und etwa 25 Gew.% Kobalt, zwischen etwa 0,5 und etwa 5 Gew.% Kohlenstoff und zwischen etwa 70 und etwa 92,5 Gew.% Wolfram enthalten. Vorzugsweise sollte Kobalt zwischen etwa 8 und etwa 18 Gew.%, Kohlenstoff zwischen etwa 2 und etwa 4 Gew.% und Wolfram zwischen etwa 78 und etwa 90 Gew.% vorhanden sein. Die am stärksten bevorzugte Beschichtung enthält zwischen etwa 9 und etwa 15 Gew.% Kobalt, zwischen etwa 2,5 und etwa 4 Gew.% Kohlenstoff und zwischen etwa 81 und etwa 88,5 Gew.% Wolfram.
Der Werkstoff für die Wolframkarbid-Kobalt-Beschichtung gemäß der Erfindung kann eine kleine Menge an Chrom, vorzugsweise zwischen etwa 3 und etwa 6 Gew.%, und am stärksten bevorzugt etwa 4 Gew.%, enthalten. Das Hinzufügen von Chrom verbessert die Korrosionseigenschaften der Beschichtung.
Die Oberschicht aus Keramik schließt Aluminiumoxid, Zusammensetzungen (welche Legierungen und Gemische einschließen sollen) von Aluminiumoxid mit Titanoxid, Chromoxid, und/oder Zirkoniumoxid; Zusammensetzungen von Chromoxid und Aluminiumoxid; Zusammensetzungen von Zirkoniumoxid gemischt mit Siliziumoxid, Yttriumoxid, Kalziumoxid und/oder Magnesiumoxid; Chromkarbid und ähnliches ein.
Vorzugsweise besteht die Oberschicht aus Aluminiumoxid und Zusammensetzungen aus Aluminiumoxid mit Titanoxid, Chromoxid und/oder Zirkoniumoxid, wobei Aluminiumoxid am stärksten bevorzugt ist.
Das Substrat kann Titan, Aluminium, Stahl, Kobalt, Nickel, Legierungen davon und ähnliches aufweisen. Vorzugsweise ist das Substrat eine Titanlegierung. Wenn das Substrat eine Titanlegierung ist, ist die bevorzugte Oberschicht ein Werkstoff auf Aluminiumoxidbasis, wie z.B. Aluminiumoxid, und die Unterschicht besteht aus Wolframkarbid-Kobalt mit zwischen 7 und 25 Gew.% Kobalt, zwischen 0,5 und 5 Gew.% Kohlenstoff und zwischen 70 und 92,5 Gew.% Wolfram. Die Dicke der Unterschicht liegt zwischen 0,051 und 0,51 mm (2 bis 20 mils) und die Oberschicht ist zwischen 0,025 und 0,51 mm (1 bis 20 mils) dick. Allgemein liegt das Verhältnis zwischen Oberschicht und Unterschicht zwischen 6:1 und 3:1
Es stellte sich heraus, daß bei einem Titanlegierungssubstrat die Unterschicht aus Wolframkarbid-Kobalt für eine exzellente Bindung zu der Titanlegierung sorgt, ohne daß sie die Ermüdungseigenschaften der Titanlegierung wesentlich verändert, während sie für eine Oberfläche mit einer Rauhigkeit sorgt, auf welcher die Oberschicht angebracht werden kann. Die Oberschicht des auf Aluminiumoxid basierenden Werkstoffes sorgt für eine exzellent verschleißfeste, schneidende Oberfläche, die bei verschiedenen Anwendungen unter zyklischer Belastung ohne Ausfall verwendet werden kann. Um die Oberfläche der Oberschicht weiter zu verbessern, kann eine Laserbehandlung durchgeführt werden, um für eine Mehrzahl von Vertietüngen zu sorgen, die von erhöhten Stegbereichen festgelegt werden, welche als Ansammlung von Schneidekanten wirken können. Ferner wird angenommen, daß die von den Stegbereichen festgelegten Vertiefungen die Schneidefähigkeit dadurch erhöhen, daß sie einen Raum zur Aufnahme von feinem Schneideabtrag bilden, wenn das duplexbeschichtete Substrat als Schaufel in einem Kompressor verwendet wird. Beim Kühlen zieht sich die Spitze der Schaufel zurück, und der Abtrag wird von der Oberfläche freigesetzt.
Das bevorzugte Verfahren zur Abscheidung der Unterschicht besteht in einem Flammplatieren mit einer Detonationskanone, und weist die folgenden Schritte auf: Einführen von gewünschten Brennstoff- und Oxidationsmittelgasen in die Detonationskanone, um ein detonationsfähiges Gemisch zu bilden, Einführen eines zerkleinerten Beschichtungsmaterials in dieses detonationsfähige Gemisch innerhalb der Kanone sowie Zünden des Brennstoff-Oxidationsmittelgemisches, um das Beschichtungsmaterial auf ein zu beschichtendes Substrat zu schleudern. Vorzugsweise weist das Brennstoff-Oxidationsmittelgemisch ein Oxidationsmittel und ein Brennstoffgemisch aus mindestens zwei brennbaren Gasen auf, welche aus der Gruppe der gesättigten und der ungesättigten Kohlenwasserstoffe ausgewählt sind. Das eingesetzte Oxidationsmittel ist vorzugsweise Sauerstoff, und das brennbare Brennstoffgemisch umfaßt Acetylengas und Propylengas.
Die Pulver des Beschichtungsmaterials zur Verwendung beim Bilden der Unterschicht sind vorzugsweise Pulver, die mittels des Gieß/Mahl-Verfahrens hergestellt wurden. Bei diesem Verfahren werden die Bestandteile des Pulvers geschmolzen und in einen muschelförmigen Block gegossen. Nachfolgend wird dieser Block zermahlen, um die gewünschte Partikelgrößenverteilung zu erhalten. Die sich ergebenden Pulverpartikel enthalten kantige Karbide in verschiedenen Größen. Unterschiedliche Metallphasenanteile sind mit jedem Partikel verbunden. Diese Morphologie führt dazu, daß die einzelnen Partikel ungleichförmige Schmelzeigenschaften zeigen. In der Tat kann es vorkommen, daß unter bestimmten Beschichtungsbedingungen ein Teil der die größeren kantigen Karbide aufweisenden Partikel überhaupt nicht schmilzt. Das bevorzugte Pulver liefert eine Beschichtung, die wie poliertes Metall aussieht und aus circa 2 bis 20 % kantigen Wolframkarbid-Partikeln besteht, die im allgemeinen im Größenbereich von 1 bis 25 um liegen und in einer aus W&sub2;C, Mischkarbiden, wie z.B. Co&sub3;W&sub3;C und Co-Phasen, bestehenden Matrix verteilt sind.
Die Pulver des Beschichtungsmaterials zur Verwendung bei dem Herstellen der Oberschicht sind vorzugsweise Pulver, die durch das Kalzinieren von Metallsalzen hergestellt wurden. Die Größe der sich ergebenden Pulverpartikel sollte allgemein im Bereich zwischen 1 und 45 um liegen.
Beim Testen der beschichteten Proben wurden verschiedene Daten beobachtet, und einige der Daten wurden mittels der folgenden Prüfverfahren erhalten.

Bruchformänderungsprüfung

Die Bruchformänderung der Beschichtungen in den Beispielen wurde unter Anwendung eines Vier-Punkt-Biegetests bestimmt. Insbesondere wurde ein auf 40 bis 45 Rockwell-Härte auf der C-Skala (HRC) gehärteter Träger aus 4140-Stahl mit rechteckigem Querschnitt auf einer Seite mit dem zu untersuchenden Material beschichtet. Die typischen Substratabmessungen sind 1,27 cm (0,50 inch) Breite, 0,64 cm (0,25 inch) Dicke und 25,4 cm (10 inches) Länge. Die Beschichtungsfläche beträgt 1,27 cm (0,50 inch) auf etwa 17,8 cm (7 inches) und ist entlang der Länge von 25,4 cm (10 inches) des Substrates zentriert. Die Beschichtungsdicke beträgt typischerweise 0,038 cm (0,015 inch), obschon die Anwendbarkeit des Tests nicht durch die Beschichtungsdicke im Bereich zwischen 0,025 und 0,051 cm (0,010 bis 0,020 inch) beeinflußt wird. Ein akustischer Wandler wird unter Verwendung eines Kopplungsmittels, wie z.B. Dow Corning-Hochvakuumfett, und eines Klebebandes an der Probe angebracht. Der akustische Wandler ist piezoelektrisch und hat eine schmale Ansprechbandbreite im Frequenzbereich von näherungsweise 90 bis 120 kHz. Der Wandler ist mit einem Vorverstärker mit einer festen Verstärkung von 40 dB verbunden, welcher das Signal zu einem Verstärker mit einer eingestellten Verstärkung von 30 dB weiterleitet. Die insgesamte Systemverstärkung ist folglich 70 dB. Der Verstärker ist mit einem Zähler verbunden, der zählt, wie oft das Signal einen Schwellenwert von 1 Millivolt übersteigt, und der eine dem gesamten Zählstand proportionale Spannung ausgibt. Außerdem wird ebenso ein Signal aufgenommen, das zur Spitzenamplitude eines Ereignisses proportional ist.
Der beschichtete Träger wird in eine Biegevorrichtung gebracht. Die Biegevorichtung ist so ausgelegt, daß der Träger in einer Vierpunkt-Biegung beansprucht wird, wobei die Beschichtung unter Zug gesetzt wird. Die äußeren Belastungspunkte liegen auf einer Seite des Trägers 20,32 cm (8 inches) voneinander entfernt, während die mittleren Belastungspunkte auf der gegenüberliegenden Seite des Substrats 7 cm (2 3/4 inches) voneinander entfernt liegen. Diese Testgeometrie versetzt die mittleren 7 cm (2 % inches) des beschichteten Trägers in einen gleichförmigen Spannungszustand. Eine universelle Prüfvorrichtung wird verwendet, um die beiden Sätze von Belastungspunkten relativ zueinander auszulenken, wodurch die Testprobe in der Mitte gebogen wird. Die Probe wird so gebogen, daß die Beschichtung konvex ist, d.h. die Beschichtung wird unter Zug gesetzt. Während des Biegens wird die Deformation der Probe entweder mittels einer an der universellen Prüfvorrichtung angebrachten Kraftmeßdose oder mittels eines an der Probe angebrachten Dehnungsmessers verfolgt. Falls die Kraft gemessen wird, wird die Dehnung in der Beschichtung mit der technischen Elastizitätstheorie für Träger berechnet. Während der Biegung werden auch die akustische Zählrate und die Spitzenamplitude aufgenommen. Die Daten werden gleichzeitig mit einem Drei-Stift-Schreiber und einem Computer gesammelt. Wenn ein Riß in der Beschichtung auftritt, ist er mit einer akustischen Emission verbunden. Eine charakteristische akustische Emission, die mit einem Riß über die ganze Dicke verbunden ist, umfaßt etwa eine Zählrate von 10&sup4; pro Ereignis und eine Spitzenamplitude von 100 dB relativ zu 1 Millivolt am Wandler. Die zum Zeitpunkt des Beginns der Rißbildung vorhandene Formänderung wird als die Bruchformänderung der Beschichtung aufgezeichnet.

Eigenspannungstest

Die Eigenspannung der Beschichtungen in den Beispielen wurden mit einem Sackloch-Test bestimmt. Das spezielle Verfahren ist eine modifizierte Version des ASTM-Standards E-387. Insbesondere wird dabei eine Rosette zur Verformungsmessung auf die zu untersuchende Probe aufgeklebt. Die benutzte Rosette wurde von Texas Measurements, College Station, Texas, auf den Markt gebracht und trägt die Bezeichnungsnummer FRS-2. Diese Vorrichtung besteht aus drei Meßstreifen, die unter 0,90 und 225 Grad zueinander angeordnet sind und auf einer Folienunterlage montiert sind. Der Mitteldurchmesser der Meßstreifen beträgt 5,12 mm (0,202 inch), die Länge der Meßstreifen beträgt 1,5 mm (0,059 inch) und die Breite der Meßstreifen beträgt 1,4 mm (0,055 inch). Die Rosette wurde, wie im Bulletin B-127-9, veröffentlicht von Measurements Group Inc, Raleigh, North Carolina empfohlen, an der Probe angebracht. Eine Metallmaske wird auf die Verformungsmeßstreifen geklebt, um die Positionierung des Lochs während des Bohrens zu unterstützen und um den Verformungsmeßstreifen während dem Bohren des Lochs zu schützen. Die Maske hat eine Ringgeometrie mit einem Außendurchmesser von 0,97 cm (0,382 inch), einem Innendurchmesser von 0,41 cm (0,160 inch) und einer Dicke von 0,123 cm (0,0485 inch). Diese Maske wird konzentrisch mit den Verformungsmeßstreifen unter der Verwendung eines Mikroskops bei sechsfacher Vergrößerung ausgerichtet. Wenn die Maske zentriert ist, wird ein Tropfen Klebstoff an den Rändern aufgebracht, der trocknet und die Maske in ihrer Position fixiert. Die drei Meßstreifen werden mit drei identischen Meßwertumformern verbunden, die eine Anzeige in Verformungseinheiten liefern. Vor dem Testbeginn werden alle drei Einheiten auf Null abgeglichen.
Die Testausrüstung weist eine rotierende Sandstrahldüse auf, die auf einer Platte montiert ist, die sich vertikal und in einer Horizontalrichtung bewegen kann. Die Sandstrahldüse ist von S.S. White of Piscataway, New Jersey, gefertigt und weist einen Innendurchmesser von 0,066 cm (0,026 inch) und einen Außendurchmesser von 0,19 cm (0,076 inch) auf. Die Düse ist aus ihrem Rotationszentrum versetzt, so daß ein Ringloch mit einem Durchmesser zwischen 0,24 cm und 0,255 cm (0,096 inch und 0,1002 inch) entsteht. Die zu bohrende Probe wird im Gehäuse positioniert und der Verformungsmeßstreifen wird unter der rotierenden Düse zentriert. Die Positionierung des Teils wird dadurch erreicht, daß die Düse ohne Schleifmittelfluß und ohne Luftstrom rotiert und die Lage der Probe manuell angepaßt wird, so daß die Düsenrotation konzentrisch zu der Maske ist. Der Abstand zwischen der Düse und dem Teil ist auf 0,051 cm (0,020 inch) eingestellt. Die Stellung der Platte ist durch Anschläge markiert. Das zum Bohren der Löcher verwendete Schleifmittel besteht aus 27 um Aluminiumoxid in einem Luftstrom von 414 kpa (60 psi). Es werden 25 Gramm pro Minute (gpm) des abtragenden Mittels oder Schleifmittels verwendet. Das Schleifmittel wird von einer herkömmlichen Pulverabgabevorrichtung abgegeben.
Das Loch wird 30 Sekunden lang gebohrt, worauf der Schleifmittel- und Luftstrom abgestellt werden. Die Düse wird von dem Teil wegbewegt. Die Positionen der Oberseite des Verformungsmeßstreifens und des Bodens des Lochs werden mit einem tragbaren Einstellmikroskop erfaßt und die Differenz wird aufgezeichnet. Die Lochtiefe ergibt sich aus der Differenz minus der Dicke des Verformungsmeßstreifens. Die um das Loch herum abgebaute Verspannung wird von den Meßwertumformern angezeigt, und diese Werte werden ebenfalls aufgezeichnet. Die Probe wird während der Datenerfassung nicht bewegt, so daß die Düse an ihre ursprüngliche Ausgangsposition zurückgebracht werden kann und der Test fortgesetzt werden kann.
Der Test wird solange wiederholt, bis die Tiefe des Lochs größer ist als die Dicke der Beschichtung, worauf der Test beendet wird. Die in einer inkrementellen Schicht bei gegebener Lochtiefe abgebaute Verspannung hängt empirisch mit der Verspannung in dieser Schicht zusammen, wozu Daten von einer Eichprobe aus Weichstahl verwendet wurden, die unter Belastung in einen bekannten Spannungszustand versetzt wurde. Aus diesen Daten wird die Eigenspannung bestimmt.
Die Bruchformänderung und die Eigenspannung einer Beschichtung sind wie folgt korreliert. Wenn ein Werkstoff zugleich einer Mehrzahl von Beanspruchungen ausgesetzt ist, können die Spannungen und die Verformungen aus jeder der Belastungsbedingungen berechnet werden, und die Gesamtverteilung von Spannung und Verformung kann durch Überlagerung der sich aus jeder einzelnen Belastung ergebenden Spannungen bestimmt werden. Wenn man diese Tatsache auf Beschichtungen anwendet, muß die Eigenspannung in der Beschichtung zu der durch den Vier-Punkt-Biege-Test verursachten Spannung addiert werden, um den gegenwartigen Spannungszustand der Beschichtung zu dem Zeitpunkt, wenn der Bruch auftritt, zu erhalten. Der Vier-Punkt-Biege-Test wird so durchgeführt, daß die Beschichtung in Zugspannung versetzt wird. Damit ergibt sich die gesamte Spannung in einer Beschichtung zum Ausfallzeitpunkt unter der Berücksichtigung der Tatsache, daß Spannung und Dehnung über eine Konstante zusammenhängen, zu
t=E&epsi;f+ r (Gl. 1)
wobei
t = angelegte Spannung
E = Elästizitätsmodul der Beschichtung
&epsi;f= Bruchformänderung aus Vier-Punkt-Biege-Test
r = Eigenspannung der Beschichtung, ermittelt aus dem Sackloch-Test (negative Werte sollen entsprechend der Konvention Stauchungsspannungen entsprechen)
Im allgemeinen wird die Beschichtung bei einem konstanten Spannungswert reißen, unabhängig davon, ob diese Spannung aus einer Eigenspannung oder einer angelegten Spannung oder einer Kombination aus beidem entstand. Eine Beschichtung mit einer vorgegebenen Stauchungseigenspannung muß einer gleich großen angelegten Zugspannung ausgesetzt werden, bevor die Beschichtung unter Zugspannung versetzt wird. Wenn man Gleichung (1) umformt, um die Bruchformänderung als Funktion der Eigenspannung auszudrücken, ist ersichtlich, daß eine erhöhte Stauchungseigenspannung in einer Beschichtung zu einer erhöhten Bruchformänderung der Beschichtung führt.
&epsi;f = ( t- r)/E (Gl. 2)
Folglich wird die Spannung oder die Verformung, die angelegt werden kann, bevor die Beschichtung bricht, von dem Wert der Eigenspannung oder der bereits vorhandenen Verformung in der Beschichtung beeinflußt.
Weitere Informationen über den Sackloch-Test zur Bestimmung der Eigenspannung kann einer Veröffentlichung mit den Titel "Residual Stress in Design, Process and Materials Selection", veröffentlicht von ASM International, Metals Park, Ohio, entnommen werden. Diese Veröffentlichung enthält einen gleichnamigen Beitrag von L.C. Cox auf der ASM-Konferenz, 27. bis 29. April, 1987 in Cincinnati, Ohio. Auf die Offenbarung dieses Artikels wird hier in vollem Umfang Bezug genommen.

Bindungsstärketest

Die Stärke der Bindung der Beschichtung zu dem Substrat wurde mittels des in ASTM 633 offenbarten Verfahrens bestimmt, außer daß die Beschichtung in einer dünneren Schicht bestand. Insbesondere wurde die zu untersuchende Beschichtung auf einem Satz von sechs zylindrischen Bindungstestproben abgeschieden, wobei jede einen Durchmesser von 1 inch hatte. Die Oberfläche der Beschichtung wurde mit einem Diamantrad geschliffen, um für eine glatte Oberfläche senkrecht zu der Achse des Zylinders zu sorgen. Die zylindrischen Proben wurden dann jeweils an einer passenden, nicht beschichteten zylindrischen Probe mittels eines Epoxidklebers, der unter der Marke "SCOTCH-WELD EPOXY ADHESIVES 2214 NON- METALLIC" von 3M Corp. auf den Markt gebracht wurde, befestigt. Dieser Epoxidkleber setzt sich wie folgt zusammen: Bestandteile Prozent Epoxidharzmischung aliphatischer Glycidilether Nitrillatex Dicyandiamid 3-p-Chlorphenyl-1,1-dimethylharnstoff amorphes Siliziumdioxid Wasser
Nach dem Aushärten des Epoxids wurden die zylindrischen Proben bis zum Abreißen voneinander weggezogen, und die Last beim Abreißen wurde gemessen. Nach diesem Test wurde jede beschichtete zylindrische Probe untersucht, um festzustellen, ob das Abreißen in dem beschichtungsgebundenen Bereich oder in dem epoxidgebundenen Bereich auftrat.

Ermüdungstest

Die Ermüdungsproben wurden in zylindrische Teststäbe mit einer Länge von 22,5 cm (3,5 inch) mit Segmentabschnitten an jedem Ende mit einer Länge von 2 cm (0,8 inch) und einem Durchmesser von 1,524 cm (0,6 inch) gearbeitet. Der innere Abschnitt jedes Endsegments verjüngte sich nach innen, um ein zentrales Segment mit einer Länge von 1,9 cm (0,75 inch) und einem Durchmesser von 0,635 cm (0,25 inch) zu bilden. Das zentrale Segment wird als Meßabschnitt der Teststange bezeichnet. Mittels einer Detonationskanone wird eine Beschichtung auf den Meßabschnitt und die sich fortschreitend verjüngenden Segmente aufgebracht. Die Beschichtung wird in dem Zustand nach dem Aufbringen untersucht, wobei die natürliche Oberflächenrauhigkeit der Beschichtung erhalten bleibt. Der Ermüdungstest wird als axialer Zug-Zugtest mit einem Verhältnis R von Minimal- zu Maximalspannung von 0,1 ausgeführt. Der Test wird in Luft bei Umgebungstemperatur auf einer einfachen lastgesteuerten Axialermüdungstest-Maschine bei 30 Hz ausgeführt. Für alle Proben wurde die Maximalspannung als Maximallast über den Meßquerschnitt des Substratmaterials abgeleitet. Jeder Test wurde so lange durchgeführt, bis die Probe in dem Meßabschnitt brach (Meßabschnittsbruch = GSF) oder bis zehn Millionen Zyklen erreicht wurden (Auslauf=RO).
Die vorliegende Erfindung wird anhand einiger Beispiele veranschaulicht. Bei diesen Beispielen wurden Beschichtungen unter Verwendung der in Tabelle 1 gezeigten Pulverzusammensetzungen hergestellt. TABELLE 1 Pulvermaterialien zur Beschichtung Zusammensetzung (Gewichtsprozent) Pulvergröße Probenpulver gegossen u. zerkleinert Andere % durch Sieb* Max. % von min. Größe durch 10% kleiner als 5 um * U,S. Standardsiebgröße -325.

BEISPIEL 1

Die gasförmigen Brennstoff-Oxidationsmittel-Gemische mit den in Tabelle 2 gezeigten Zusammensetzungen wurden jeweils in eine Detonationskanone eingebracht, um ein detonationsfähiges Gemisch mit einem wie in Tabelle 2 gezeigten atomaren Verhältnis von Sauerstoff zu Kohlenstoff zu bilden. Das Beschichtungsprobenpulver wurde ebenfalls in die Detonationskanone eingebracht, wie in Tabelle 2 gezeigt. Die Durchflußrate jedes gasförmigen Brennstoff- Oxidationsmittel-Gemisches, die Zufuhrrate jedes Beschichtungspulvers, das gasförmige Brennstoff-Gemisch in Volumenprozent und das atomare Verhältnis von Sauerstoff zu Kohlenstoff für jedes Beschichtungsbeispiel sind in Tabelle 2 gezeigt. Das Beschichtungsprobenpulver wurde der Detonationskanone gleichzeitig mit dem gasförmigen Brennstoff-Oxidationsmittel-Gemisch zugeführt. Die Detonationskanone wurde mit einer Rate von ungefähr 8 mal pro Sekunde gefeuert, und das Beschichtungspulver in der Detonationskanone wurde auf eine Vielfalt von Stahl- und Titansubstraten geschleudert, um eine dichte, anhaftende Beschichtung aus geformten, mikroskopischen Lamellen zu bilden, die ineinander greifen und miteinander überlappen.
Der Gewichtsprozentsatz von Kobalt und Kohlenstoff in der Beschichtungsschicht der Probenbeschichtungen 1 und 2 wurde zusammen mit der Härte der Beschichtung bestimmt. Die Härte der Beschichtungsbeispiele 1, 2 und 3 in Tabelle 2 wurde unter Verwendung eines Rockwell- Oberflächenhärte-Meßgeräts gemessen, und die Rockwell-Härten wurden in Vickers-Härten umgewandelt. Das verwendete Rockwell-Oberflächenhärte-Verfahren bestand in dem ASTM- Standardverfahren E-18. Die Härte wird auf einer glatten und flachen Oberfläche der Beschichtung gemessen, die auf einem gehärteten Stahlsubstrat abgeschieden wurde. Die Zahlenwerte der Rockwell-Härte wurde in Zahlenwerte der Vickers-Härte mittels der folgenden Formel umgewandelt:
HV&sub0;,&sub3;=-1774+34,433 HR45N
wobei HV&sub0;,&sub3; die bei einer Belastung von 0,3 kg erhaltene Vickers-Härte bezeichnet und HR45N die auf der N-Skala mit einer Diamantprüfspitze und einer Belastung von 45 kg erhaltene Rockwell-Oberflächenhärte bezeichnet. Die Bruchformänderungswerte und die Eigenspannungswerte wurden wie oben beschrieben erhalten, und die erhaltenen Daten sind in Tabelle 2 gezeigt. TABELLE 2 Parameter der D-Kanone und Eigenschaften der beschichteten Proben Probenbeschichtung Pulver Pulverzufuhrrate (gpm) Gasdurchflußrate (Liter/s) (Ft³/min) Gasförmiges Brennstoffgemisch (Volumenprozent) Atomares Verhältnis O&sub2; zu C Chemische Zusammensetzung (Gewichtsprozent) Vickers-Härte (kg/mm²) Bruchformänderung (mm/m) (mils/in) Eigenspannung MPa (KSI) (1) Unterschicht (2) Oberschicht (3) als Rockwell-Oberflächenhärte gemessen und in Vickers-Härte umgewandelt

BEISPIEL II

Teststangen mit einem Durchmesser von 2,54 cm (1 inch) aus Ti-6Al-4V wurden an ihren Endtlächen mittels des gleichen Verfahrens und der gleichen Pulverzusammensetzung wie für die Probebeschichtung 3 von Beispiel 1 beschichtet. Jede zylindrische Stange wurde dann an einer dazu passenden Stange entlang ihrer Längsachse mittels SCOTCH-WELD-Epoxidkleber befestigt. Nachdem das Epoxid ausgehärtet war, wurden die beiden zylindrischen Stangen bis zum Abreißen auseinandergezogen, und die Last beim Abreißen wurde für jede Probe aufgezeichnet. Die Teststangen wurden dann untersucht, um festzustellen, ob das Abreißen in dem beschichtungsgebundenen Bereich (als Beschichtung-Substratbindung-CSD bezeichnet) oder in dem epoxidgebundenen Bereich (Epoxid) auftrat. Die Dicke der Beschichtung, die Abrißbindungsstärke und der beobachtete Abrißtyp sind in Tabelle 3 gezeigt. TABELLE 3 Bindungsstärke von mit Pulver B beschichteten Substraten Probe Beschichtungsdicke Bindungsstärke Abrißtyp Durchschnitt

BEISPIEL III

Teststangen aus Ti-6Al-4V mit einem Durchmesser von 2,54 cm (1 inch) wurden an ihren Endflächen mittels des gleichen Verfahrens und der gleichen Pulverzusammensetzung wie für Probebeschichtung 2 von Beispiel I beschichtet. Zusätzlich wurde eine Oberschicht unter Verwendung des gleichen Verfahrens und der gleichen Pulverzusammensetzung wie für Probebeschichtung 3 von Beispiel 1 aufgebracht. Jede duplexbeschichtete zylindrische Stange wurde dann an einer dazu passenden Stange entlang ihrer Längsachse mittels SCOTCH-WELD- Epoxidkleber befestigt. Nachdem das Epoxid ausgehärtet war, wurden die beiden zylindrischen Stangen bis zum Abreißen auseinandergezogen, und die Last beim Abreißen wurde für jede Probe aufgezeichnet. Die Teststangen wurden untersucht, um festzustellen, ob das Abreißen in dem beschichtungsgebundenen Bereich (CSD) oder in dem epoxidgebundenen Bereich (Epoxid) auftrat. Die Dicke jeder Beschichtungslage, die Abrißbindungsstärke und der beobachtete Abrißtyp sind in Tabelle 4 gezeigt. Es trat ein leichtes Randabplatzen der Beschichtung auf. Die durchschnittliche Bindungsstärke der Duplexbeschichtung dieser Erfindung lag weit über der durchschnittlichen Bindungsstärke der in Beispiel II gezeigten Proben. TABELLE 4 Bindungsstärke von duplexbeschichteten Substraten Probe Dicke der Unterschicht Dicke der Oberschicht Bindungsstärke Abrißtyp Epoxid+Randabplatzen Durchschnitt

BEISPIEL IV

Teststangen aus Ti-6Al-4V mit einem Durchmesser von 2,54 cm (1 inch) wurden an ihren Endflächen unter Verwendung desselben Verfahrens und derselben Pulverzusammensetzung wie für Probebeschichtung 1 von Beispiel I beschichtet. Zusätzlich wurde eine Oberschicht unter Verwendung desselben Verfahrens und derselben Pulverzusammensetzung wie für Probebeschichtung 3 von Beispiel 1 aufgebracht. Jede duplexbeschichtete zylindrische Stange wurde dann an einer dazu passenden Stange entlang ihrer Längsachse mittels SCOTCH- WELD-Epoxidkleber befestigt. Nachdem das Epoxid ausgehärtet war, wurden die beiden zylindrischen Stangen bis zum Abreißen voneinander weggezogen, und die Last beim Abreißen wurde für jede Probe aufgezeichnet. Die Teststangen wurden dann untersucht, um festzustellen, ob das Abreißen in dem beschichtungsgebundenen Bereich (CSD) oder in dem epoxidgebundenen Bereich (Epoxid) auftrat. Die Dicke jeder Beschichtungslage, die Abrißbindungsstärke und der beobachtete Abrißtyp sind in Tabelle 5 gezeigt. In einigen Fällen trat ein leichtes Randabplatzen der Beschichtung auf Die durchschnittliche Bindungsstärke der Duplexbeschichtung gemäß dieser Erfindung lag weit über der durchschnittlichen Bindungsstärke der in Beispiel II gezeigten Proben. TABELLE 5 Bindungsstärke von duplexbeschichteten Substraten Probe Dicke der Unterschicht Dicke der Oberschicht Bindungsstärke Abrißtyp Epoxid+Randabplatzen Durchschnitt

BEISPIEL V

Für Ermüdungstests vorgesehene Stangen aus Ti-6-4-Legierung, die wie oben beschrieben hergestellt wurden, wurden auf ihren zentralen Abschnitten oder Meßabschnitten mit der Beschichtungszusammensetzung der Probebeschichtung 1, 2 oder 3 von Beispiel 1 unter Verwendung des Verfahrens und des gasförmigen Brennstoffgemisches, wie in Tabelle 2 für die Probebeschichtung 1, 2 bzw. 3 gezeigt, beschichtet. Zusätzliche Ermüdungsteststangen wurden auf ihren Meßabschnitten mit einer Unterschicht der Beschichtungszusammensetzung von Probebeschichtung 1 oder 2 beschichtet, über welche die Beschichtungszusammensetzung der Probebeschichtung 3 von Beispiel 1 abgeschieden wurde. Diese Teststangen wurden mit verschiedenen Dicken der Beschichtungszusammensetzung der Probebeschichtung 1, 2 oder 3 von Beispiel I beschichtet, wie in Tabelle 6 gezeigt ist. Vor der Beschichtung wurden die Teststangen nicht sandgestrahlt, mit Ausnahme der Teststangen, die nur mit der Probebeschichtung 3 von Tabelle 2 von Beispiel I beschichtet wurden, welche mit kantigen Partikeln der Korngröße 60 aus Aluminiumoxid sandgestrahlt wurden, um eine hohe Bindungsstärke zwischen der Probebeschichtung 3 und den Teststangen zu fördern. Zusammen mit einigen unbeschichteten Ermüdungsstangen wurden die beschichteten Ermüdungsstangen dem Ermüdungstest wie oben beschrieben unterzogen. Tabelle 6 zeigt die Maximalspannung, welcher jede einzelne Stange ausgesetzt war, sowie die Zahl der Zyklen, die ausgehalten wurden, bevor die Stange einen Ermüdungsbruch in dem Meßabschnitt erlitt, oder, falls die Stange nach 10&sup7; Zyklen nicht brach, wurde der Test abgebrochen und als Auslauf bezeichnet.
Die Daten aus Tabelle 3 von Beispiel II zeigen, daß die mit Al&sub2;O&sub3; beschichteten Teststangen alle in dem beschichtungsgebundenen Bereich brachen, während die Daten aus Tabelle 4 von Beispiel III zeigen, daß die mit einer Duplexbeschichtung gemäß der vorliegenden Erfindung beschichteten Teststangen in dem epoxidgebundenen Bereich und nicht im beschichtungsgebundenen Bereich brachen. Diese Untersuchungen demonstrieren, daß die Al&sub2;O&sub3;-Beschichtung nicht effektiv an dem Substrat haftete, wenn sie als eine Einzelbeschichtung verwendet wurde, jedoch effektiv an einer Unterschicht aus Wolframkarbid-Kobalt haftete, wie in Beispiel III gezeigt. Obwohl Al&sub2;O&sub3;-Beschichtungen für eine gute verschleißfeste schneidende Oberfläche für Schaufeln sorgen, haften die Beschichtungen manchmal somit nicht hinreichend auf den Schaufeln, um damit verbunden zu bleiben, wenn sie in ihren beabsichtigten Anwendungen verwendet werden.
Wenn jedoch das Substrat, wie beispielsweise eine Schaufel, zuerst mit einer Unterschicht aus Wolframkarbid-Kobalt und dann mit einer Al&sub2;O&sub3;-Beschichtung beschichtet wird, haftet die Al&sub2;O&sub3;-Beschichtung an der Unterschicht und sorgt für eine gute Bindung mit dieser. Dies kann ohne die Notwendigkeit zum Sandstrahlen des Substrats erzielt werden, welches zu einem großen Ermüdungseintrag in das Substrat führen könnte.
Die Daten in Tabelle 2 zeigen, daß eine unter Verwendung der Kombination vori zwei brennbaren Gasen aufgebrachte Beschichtung eine bessere Bruchformänderung und eine bessere Eigenspannung ergab als eine Beschichtung, die mittels eines herkömmlichen Detonationskanonenverfahrens unter Verwendung von nur einem brennbaren Gas aufgebracht wurde. In Tabelle 6 wurde Teststange 16 mittels eines herkömmlichen Detonationskanonenverfahrens mit nur einem brennbaren Gas hergestellt und überlebte 1,86 10&sup5; Zyklen bei einer Spannung von 345 MPa (50 KSI). Die gleiche Beschichtungszusammensetzung und die gleiche Lagendicke der Duplexbeschichtung wurde ebenso unter Verwendung eines Detonationskanonenverfahrens mit zwei brennbaren Gasen aufgebracht (Teststange 18) und diese Teststange 18 überlebt 1,4166 10&sup7; Zyklen bei einer Spannung von 345 MPa (50 KSI). Deshalb sollte das zur Abscheidung der Unterschicht auf dem Substrat verwendete Verfahren so ausgewählt werden, daß sichergestellt ist, daß die Unterschicht aus Wolframkarbid-Kobalt eine Bruchformänderung von mehr als 4,3 10&supmin;³ cm/cm (inch/inch) aufweist. TABELLE 6 Ermüdungstest bei miximalen Spannungspegeln Teststange Max Spannung Beschichtungsprobe Dicke der Beschichtung Anzahl der Zyklen Ermüdungsergenis * Diese Teststange brach in einem nicht beschichteten Bereich TABELLE 6 (Fortsetzung) Ermüdungstest bei miximalen Spannungspegeln Teststange Max Spannung Beschichtungsprobe Dicke der Beschichtung Anzahl der Zyklen Ermüdungsergenis

Claims

1. Duplexbeschichtung zur Verwendung auf Substraten, mit einer Unterschicht aus Wolframkarbid-Kobalt, die eine Bruchformänderung von mehr als 4,3 10&supmin;³ cm/cm (4,3 10&supmin;³ inch/inch) hat, und mit einer Oberschicht aus einem keramischen Werkstoff, wobei das Dickenverhältnis zwischen der Oberschicht und der Unterschicht zwischen 6:1 und 1:3 liegt.

2. Duplexbeschichtung nach Anspruch 1, bei der das Dickenverhältnis zwischen der Oberschicht und der Unterschicht zwischen 3:1 und 1:2 liegt.

3. Duplexbeschichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Unterschicht aus Wolframkarbid-Kobalt eine Bruchformänderung von mehr als 5,0 10&supmin;³ cm/cm (5,0 10&supmin;³ inch/inch) hat.

4. Duplexbeschichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher der keramische Werkstoff aus Aluminiumoxid, Zusammensetzungen von Aluminiumoxid mit mindestens einem aus Titan, Chromoxid und Zirkonoxid ausgewählten Werkstoff, Zusammensetzungen aus Chromoxid und Aluminiumoxid; Zusammensetzungen aus Zirkonoxid mit mindestens einem aus Magnesiumoxid, Siliziumoxid, Yttriumoxid und Kalziumoxid ausgewählten Werkstoff, sowie Chromkarbid ausgewählt ist.

5. Duplexbeschichtung nach Anspruch 4, bei welcher der keramische Werkstoff ein auf Aluminiumoxid basierender Werkstoff ist.

6. Duplexbeschichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher die Unterschicht aus Wolframkarbid-Kobalt einen Kobaltgehalt von etwa 7 bis etwa 25 Gew.%, einen Kohlenstoffgehalt von etwa 0,5 bis etwa 5 Gew.% und einen Wolframgehalt von etwa 70 bis 92,5 Gew.% hat.

7. Duplexbeschichtung nach Anspruch 6, bei der die Unterschicht bis zu 6 Gew.% Chrom enthält.

8. Duplexbeschichtung nach Anspruch 6, bei welcher der Kobaltgehalt zwischen etwa 8 und etwa 18 Gew.% liegt, der Kohlenstoffgehalt etwa 2,0 bis etwa 4,0 Gew.% beträgt und der Wolframgehalt zwischen etwa 78 und etwa 90 Gew.% liegt.

9. Duplexbeschichtung nach Anspruch 1, bei welcher die Unterschicht mindestens 0,051 mm (2 mil) dick ist und die Oberschicht mindestens 0,025 mm (1 mil) dick ist.

10. Duplexbeschichtung nach Anspruch 9, bei der die Unterschicht 0,051 mm bis 0,762 mm (2 mil bis 30 mil) dick ist und die Oberschicht 0,025 mm bis 0,51 mm (1 mil bis 20 mil) dick ist.

11. Substrat aus der Titan, Stahl, Aluminium, Kobalt, Nickel und deren Legierungen umfassenden Gruppe mit einer Duplexbeschichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche.

12. Substrat nach Anspruch 11, wobei das Substrat eine Schaufel ist.

13. Substrat nach Anspruch 11, wobei das Substrat eine Schaufelspitze ist.

14. Substrat nach Anspruch 12, wobei die Schaufel eine Titanschaufel ist und die Oberschicht aus einem auf Aluminiumoxid basierenden Werkstoff besteht.