DE69607449T2 - Hochtemperatur-Schutzschicht die gegen Erosion und Beanspruchung durch teilchenförmiges Material beständig ist - Google Patents
Hochtemperatur-Schutzschicht die gegen Erosion und Beanspruchung durch teilchenförmiges Material beständig istInfo
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Description
- Die Erfindung bezieht sich auf thermische Schutzüberzüge für Komponenten, die hohen Temperaturen ausgesetzt sind, wie beispielsweise der feindlichen thermischen Umgebung von einem Gasturbinentriebwerk. Insbesondere ist die Erfindung auf einen thermischen Schutzüberzug gerichtet, der eine thermischisolierende, säulenförmige Keramikschicht enthält, wobei der thermische Schutzüberzug durch eine erhöhte Beständigkeit gegenüber Erosion als eine Folge einer erosionsbeständigen Zusammensetzung charakterisiert ist, die eine physikalische Sperre über der säulenförmigen Keramikschicht bildet oder die in der säulenförmigen Keramikschicht verteilt ist oder einen Teil davon bildet, um so die Keramikschicht beständiger gegenüber Erosion zu machen.
- Es werden ständig höhere Betriebstemperaturen von Gasturbinentriebwerken gesucht, um deren Wirkungsgrad zu vergrößern. Wenn jedoch die Betriebstemperaturen ansteigen, muss die Hochtemperatur-Beständigkeit der Komponenten des Triebwerkes entsprechend ansteigen. Es sind signifikante Fortschritte in Hochtemperatureigenschaften durch die Bildung von Nickel- und Kobaltbasis-Superlegierungen erzielt worden, obwohl diese Legierungen alleine häufig nicht in der Lage sind, Komponenten zu bilden, die in bestimmten Abschnitten von einem Gasturbinentriebwerk, wie beispielsweise der Turbine, dem Brenner oder dem Nachbrenner, angeordnet sind. Eine übliche Lösung besteht darin, diese Komponenten thermisch zu isolieren, um ihre Betriebstemperaturen zu minimieren. Für diesen Zweck haben thermische Schutzüberzüge (TBC von Thermal Barrier Coatings), die auf den freiliegenden Oberflächen von Hochtemperaturkomponenten ausgebildet sind, eine breite Anwendung gefunden.
- Thermische Schutzüberzüge weisen im allgemeinen eine metallische Bindungsschicht auf, die auf der Oberfläche der Komponente abgeschieden ist, woraufhin eine anhaftende Keramikschicht folgt, die zum thermischen Isolieren der Komponente dient. Metallische Bindungsschichten werden aus oxidationsbeständigen Legierungen, wie beispielsweise MCrAlY, wobei M Eisen, Kobalt und/oder Nickel ist, und aus oxidationsbeständigen intermetallischen Verbindungen gebildet, wie beispielsweise Diffusionsaluminide und Platinaluminide, um die Anhaftung der Keramikschicht an der Komponente zu fördern und eine Oxidation der darunter liegenden Superlegierung zu verhindern. Es sind verschiedene keramische Materialien als Keramikschicht verwendet worden, insbesondere Zirkonoxid (ZrO&sub2;), stabilisiert durch Yttriumoxid (Y&sub2;O&sub3;), Magnesiumoxid (MgO) oder ein anderes Oxid. Diese anderen Materialien sind im weitem Umfang in der Technik verwendet worden, da sie auf einfache Weise abgeschieden werden können durch Plasmasprüh-, Flammsprüh- und Dampfabscheidungstechniken, und sie sind für Infrarotstrahlung reflektierend, um so die Absorption von durch die überzogene Komponente abgestrahlte Wärme zu minimieren, wie es durch das US-Patent 4,055,705 für Stecura u. a. gelehrt wird.
- Eine signifikante Herausforderung für thermische Schutzüberzugssysteme ist die Bildung von einer stärker anhaftenden Keramikschicht gewesen, die weniger empfindlich gegenüber Abblättern ist, wenn sie thermischen Wechselbelastungen ausgesetzt ist. Zu diesem Zweck hat der Stand der Technik verschiedene Überzugssysteme vorgeschlagen mit besonderer Betonung auf keramische Schichten, die eine erhöhte Dehnungstoleranz als eine Folge des Vorhandenseins von Porosität, Mikrorissen und Segmentation der Keramikschicht haben. Mikrorisse bezeichnen im allgemeinen zufällige innere Diskontinuitäten innerhalb der Keramikschicht, während Segmentation das Vorhandensein von Mikrorissen oder kristallinen Grenzen angibt, die sich senkrecht durch die Dicke der Keramikschicht erstrecken, wodurch der Keramikschicht eine säulenförmige Kornstruktur gegeben wird. Wie in dem US-Patent 4,321,311 für Strangman gelehrt ist, ist ein Überzug auf Zirkonoxidbasis mit einer säulenförmigen Kornstruktur in der Lage, sich auszudehnen, ohne beschädigende Beanspruchungen zu bewirken, die zum Abblättern führen, wie es durch die Ergebnisse einer gesteuerten thermischen Zyklusprüfung deutlich wird. Wie von Strangman weiterhin angegeben ist, wird vorzugsweise eine feste anhaftende durchgehende Oxidoberflächenschicht über einer MCrAlY Bindungsschicht ausgebildet, um die Bindungsschicht gegenüber Oxidation und heißer Korrosion zu schützen und für einen festen Grund für den ein säulenförmiges Korn aufweisenden Überzug aus Zirkonoxid zu sorgen.
- Zwar werden thermische Schutzüberzüge auf Zirkonoxidbasis und insbesondere Yttriumoxid-stabilisierte Zirkonoxid (YSZ)-Überzüge mit säulenförmigen Kornstrukturen im weiten Umfang in der Technik verwendet wegen ihrer wünschenswerten thermischen und anhaftenden Charakteristiken, aber derartige Überzüge sind empfindlich gegenüber Erosion und Schlag- bzw. Stoßbeschädigung durch Teilchen und Schmutz, die in der eine hohe Geschwindigkeit aufweisenden Gasströmung von einem Gasturbinentriebwerk vorhanden sind. Weiterhin kann angrenzende Hardware innerhalb eines Gasturbinentriebwerks an dem thermischen Schutzüberzug ausreichend reiben, um das darunter liegende Metallsubstrat gegenüber Oxidation freizulegen. Infolgedessen besteht ein Bedarf für prall- und erosionsbeständige thermische Schutzüberzugssysteme. Für Anwendungen mit relativ niedriger Temperatur, wie beispielsweise den Verdichterschaufeln von einem Gasturbinentriebwerk, lehrt US-Patent 4,761,346 für Naik einen erosionsbeständigen Überzug, der aus einer Zwischenschicht aus einem duktilen Metall aus Elementen der Gruppe VI bis Gruppe VIII und einer harten äußeren Schicht aus einem Borid, Carbid, Nitrid oder Oxid von einem Metall aufgebaut ist, das aus Elementen der Gruppe III bis Gruppe VI ausgewählt ist. Gemäß Naik dient das duktile Metall als ein Risshemmer und verhindert eine Diffusion von versprödenden Komponenten in das darunter liegende Substrat aus der harten Außenschicht. Da jedoch die duktile Metallschicht ein schlechtes Isoliermaterial ist, ist der erosionsbeständige Überzug, wie er von Naik angegeben wird, nicht ein thermischer Schutzüberzug und deshalb ist er ungeeignet für eine Verwendung in Anwendungen mit höherer Temperatur, wie beispielsweise Hoch- und Niederdruck- Turbinendüsen und -schaufeln, Mänteln, Brennerauskleidungen und Nachbrennerhardware von Gasturbinentriebwerken.
- Thermische Schutzüberzugssysteme, wie sie zur Verwendung unter Bedingungen bei höherer Temperatur in einem Gasturbinentriebwerk vorgeschlagen werden, haben häufig säulenförmige YSZ Keramiküberzüge enthalten, die durch physikalische Dampfabscheidungs(PVD)-Techniken abgeschieden werden. Beispielsweise beschreibt das US-Patent 4,916,022 für Solfest u. a. einen PVDabgeschiedenen säulenförmigen YSZ Keramiküberzug, der eine Titanoxid-dotierte Zwischenschicht zwischen dem YSZ Keramiküberzug und einer darunter liegenden metallischen Bindungsschicht enthält, um eine Oxidation der Bindungsschicht zu verringern, wodurch die Beständigkeit des Keramiküberzugs gegenüber Abblättern verbessert wird. Solfest u. a. schlagen eine Verdichtung der äußeren Oberfläche des Keramiküberzuges durch Laserbehandlung, ein elektrisches Vorspannen und/oder eine Dotierung mit Titandioxid (TiO&sub2;) vor, um die Erosionsbeständigkeit des Keramiküberzugs zu verbessern. In der Praxis hat sich jedoch gezeigt, dass Zusätze von Titandioxid zu einem säulenförmigen YSZ Keramiküberzug den entgegengesetzten Effekt hat - nämlich eine Verkleinerung der Erosionsbeständigkeit von dem YSZ Keramiküberzug.
- Im Gegensatz dazu hat der Stand der Technik in bezug auf Triebwerke mit Innenverbrennung einen Plasma-gesprühten (PS von plasma sprayed) Zirkonoxid-Keramiküberzug vorgeschlagen, der durch einen zusätzlichen verschleißbeständigen äußeren Überzug geschützt ist, der aus Zirkon (ZrSiO&sub4;) oder einer Mischung von Siliciumdioxid (SiO&sub2;), Chromdioxid (Cr&sub2;O&sub3;) und Aluminiumoxid (Al&sub2;O&sub3;) aufgebaut ist, verdichtet durch eine Chromsäurebehandlung, wie es in dem US-Patent 4,738,227 für Kamo u. a. angegeben ist. Kamo u. a. geben die Lehre, dass ihr verschleißbeständiger äußerer Überzug eine Anzahl von Tränkungszyklen erfordert, um eine geeignete Dicke von etwa 0,127 mm zu erreichen. Zwar können die Lehren von Kamo u. a. zur Förderung einer verschließbeständigeren Komponente nützlich sein, aber die entstehende Verdichtung des Keramiküberzuges vergrößert die thermische Leitfähigkeit des Überzuges und würde den Vorteil der Verwendung einer säulenförmigen Kornstruktur zu Nichte machen. Infolgedessen sind die Lehren von Kamo u. a. inkompatibel mit thermischen Schutzüberzügen zur Verwendung unter Hochtemperaturbedingungen von einem Gasturbinentriebwerk.
- Aus der vorstehenden Beschreibung wird deutlich, dass zwar Verbesserungen in der Beständigkeit gegenüber Abblättern für thermische Schutzüberzüge für Gasturbinentriebwerkskomponenten vorgeschlagen worden sind, aber diese Verbesserungen haben die Tendenz, die Isoliereigenschaften und/oder die Erosions- und Verschleißbeständigkeit derartiger Überzüge zu verschlechtern. Weiterhin sind zwar Verbesserungen in der Verschleißbeständigkeit für keramische Überzüge erzielt worden, die für andere Anwendungen als thermische Schutzüberzüge vorgesehen sind, aber diese Verbesserungen würden in signifikanter Weise die thermischen Eigenschaften verschlechtern, die von thermischen Schutzüberzügen gefordert werden. Demzufolge besteht ein Bedarf für ein thermisches Schutzüberzugssystem, das durch die Fähigkeit charakterisiert ist, Verschleiß und Abblättern zu widerstehen, wenn es Stoss und Erosion in einer feindlichen thermischen Umgebung ausgesetzt ist. Vorzugsweise würde ein derartiges Überzugssystem auf einfache Weise formbar sein und eine isolierende Keramikschicht verwenden, die in der Weise abgeschieden ist, dass sie die Prall- und Erosionsbeständigkeit und die thermischen Isoliereigenschaften des Überzugs fördert.
- Es ist Aufgabe der Erfindung, einen thermischen Schutzüberzug für einen Gegenstand zu schaffen, der einer feindlichen thermischen Umgebung ausgesetzt ist, während er gleichzeitig Prall bzw. Stoss und Erosion durch Teilchen und Schmutz ausgesetzt ist.
- Die Erfindung soll weiterhin dafür sorgen, dass ein derartiger thermischer Schutzüberzug eine isolierende Keramikschicht aufweist, die durch Mikrorisse oder kristalline Grenzen charakterisiert ist, die für eine Beanspruchungsentspannung innerhalb des Überzuges sorgen.
- Die Erfindung soll auch weiterhin dafür sorgen, dass ein derartiger thermischer Schutzüberzug eine prall- und erosi onsbeständige Zusammensetzung hat, die in der Keramikschicht verteilt ist oder über dieser liegt, um die Keramikschicht beständiger gegenüber Erosion zu machen.
- Die Erfindung soll auch dafür sorgen, dass die Bearbeitungsschritte, durch die der Überzug ausgebildet wird, so zugeschnitten sind, dass auch die Prall- und Erosionsbeständigkeit des Überzuges gefördert wird.
- Die Erfindung schafft allgemein einen thermischen Schutzüberzug, der auf einem Gegenstand ausgebildet werden kann, der einer feindlichen thermischen Umgebung ausgesetzt ist, während er Erosion durch Teilchen und Schmutz ausgesetzt ist, wie es bei Turbinen-, Brenner- und Nachbrennerkomponenten von einem Gasturbinentriebwerk der Fall ist.
- Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Gegenstand mit einem darauf ausgebildeten erosionsbeständigen thermischen Schutzüberzug geschaffen, wobei der thermische Schutzüberzug enthält:
- eine metallische oxidationsbeständige Bindeschicht, die eine Oberfläche des Gegenstandes überdeckt,
- eine säulenförmige keramische Schicht, die auf der Bindeschicht durch eine physikalische Dampfabscheidetechnik ausgebildet ist, und
- eine erosionsbeständige Zusammensetzung, die in dem thermischen Schutzüberzug vorhanden ist, um so eine Erosion der säulenförmigen keramischen Schicht zu hemmen, wobei die erosionsbeständige Zusammensetzung ein Verschleißüberzug ist, der über der säulenförmigen keramischen Schicht liegt, um so als ein physikalischer Schutz gegen einen Feststoff-Aufprall und eine Erosion der säulenförmigen keramischen Schicht zu dienen, und die aus der aus Siliciumcarbid und Aluminiumoxid bestehenden Gruppe ausgewählt ist.
- Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Gegenstand mit einem darauf ausgebildeten erosionsbeständigen thermischen Schutzüberzug geschaffen, wobei der thermische Schutzüberzug enthält:
- eine metallische oxidationsbeständige Bindeschicht, die eine Oberfläche des Gegenstandes überdeckt,
- eine säulenförmige keramische Schicht, die auf der Bindeschicht durch eine physikalische Dampfabscheidetechnik ausgebildet ist, und
- eine erosionsbeständige Zusammensetzung, die in dem thermischen Schutzüberzug vorhanden ist, um so eine Erosion der säulenförmigen keramischen Schicht zu hemmen, wobei die erosionsbeständige Zusammensetzung in der säulenförmigen keramischen Schicht dispergiert ist, um so die säulenförmige keramische Schicht gegen Erosion widerstandsfähiger zu machen, und die aus der aus Siliciumcarbid und Aluminiumoxid bestehenden Gruppe ausgewählt ist.
- Die Bindeschicht dient dazu, dass die thermische isolierende Keramikschicht zäh an dem Gegenstand anhaftet, während die erosionsbeständige Zusammensetzung die keramische Schicht widerstandsfähiger gegenüber Stöße und Erosion macht. Eine bevorzugte keramische Schicht ist Yttriumoxid-stabilisiertes Zirkonoxid (YSZ), das durch physikalische Dampfabscheidungstechnik abgeschieden ist, um eine säulenförmige Kornstruktur zu erzeugen.
- Es wurde unerwarteterweise gefunden, dass die thermischen Schutzüberzüge, die somit modifiziert wurden, um eine der erosionsbeständigen Zusammensetzungen zu enthalten, Erosionsraten zur Folge haben, die bis zu etwa 50% kleiner sind als die säulenförmigen YSZ Keramiküberzüge des Standes der Technik, einschließlich des Titandioxid-dotierten YSZ Keramiküberzuges, der in dem US-Patent 4,916,022 für Solfest u. a. angegeben ist. Eine derartige Verbesserung ist insbesondere unerwartet, wenn Siliciumcarbid als die erosionsbeständige Zusammensetzung verwendet wird, da zu erwarten sein würde, dass Siliciumcarbid mit der YSZ Keramikschicht reagiert zur Bildung von Zirkon, wodurch das Abblättern der Keramikschicht gefördert wird. Weitere unerwartete Verbesserungen in der Erosionsbeständigkeit werden er zielt durch die Erhöhung der Glattheit der Bindeschicht und indem der Gegenstand während der Abscheidung der Keramikschicht stationär gehalten wird.
- Die Erfindung wird nun mit weiteren Einzelheiten unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, in denen:
- Fig. 1 eine perspektivische Ansicht von einer thermischen Schaufel mit einem thermischen Schutzüberzug zeigt; und
- Fig. 2 und 3 vergrößerte Schnittbilder von der Turbinenschaufel gemäß Fig. 1 entlang der Linie 2-2 sind und thermische Schutzüberzüge gemäß ersten bzw. zweiten Ausführungsbeispielen der Erfindung darstellen.
- Die Erfindung ist allgemein auf Metallkomponenten gerichtet, die in Umgebungen arbeiten, die durch relativ hohe Temperaturen charakterisiert sind, in denen die Komponenten einer Kombination von thermischen Beanspruchungen und Stoss bzw. Prall und Erosion durch Teilchen und Schmutz ausgesetzt sind. Besondere Beispiele von derartigen Komponenten umfassen die Hoch- und Niederdruck-Turbinendüsen und -schaufeln, Mäntel, Brennerauskleidungen und Nachbrenner-Hardware von Gasturbinentriebwerken. Die Vorteile der Erfindung werden zwar unter Bezugnahme auf eine Komponente aus einem Gasturbinentriebwerk dargestellt und beschrieben, aber die Lehren der Erfindung sind allgemein auf jede Komponente anwendbar, in der eine thermische Sperre verwendet werden kann, um die Komponente von der feindlichen thermischen Umgebung zu isolieren.
- Um die Erfindung darzustellen, ist in Fig. 1 eine Turbinenschaufel 10 von einem Gasturbinentriebwerk gezeigt. Wie allgemein üblich, kann die Schaufel 10 aus einer Nickelbasis- oder Kobaltbasis-Superlegierung gebildet sein. Die Schaufel 10 enthält einen stromlinienförmigen Abschnitt 12, gegen den während des Betriebs des Gasturbinentriebwerks heiße Verbrennungsgase gerichtet werden und dessen Oberfläche deshalb einem starken Angriff durch Oxidation, Korrosion und Erosion ausgesetzt ist. Der stromlinienförmige Abschnitt 12 ist an einer Turbinenscheibe (nicht gezeigt) durch einen Fußabschnitt 14 verankert.
- Durch den stromlinienförmigen Abschnitt 12 verlaufen Kühlkanäle 16, durch die Abzapfluft gedrückt wird, um Wärme von der Schaufel 10 abzuführen.
- Gemäß der Erfindung wird der stromlinienförmige Abschnitt 12 vor der feindlichen Umgebung des Turbinenabschnittes durch ein erosionsbeständiges thermisches Schutzüberzugssystem 20 geschützt, wie es in den Fig. 2 und 3 dargestellt ist. Gemäß den Fig. 2 und 3 bildet die Superlegierung ein Substrat 22, auf dem das Überzugssystem 20 abgeschieden wird. Das Überzugssystem 20 ist aus einer Bindeschicht 26, über der eine keramische Schicht 30 ausgebildet ist, aufgebaut. Die Bindeschicht 26 ist vorzugsweise aus einem metallischen, oxidationsbeständigen Material gebildet, so dass die Bindeschicht 26 das darunter liegende Substrat 22 vor Oxidation schützt und ermöglicht, dass die keramische Schicht 30 zäher an dem Substrat 22 anhaftet. Eine bevorzugte Bindeschicht 26 ist aus einem Nickelbasis-Legierungspulver, wie beispielsweise NiCrAlY, oder einem intermetallischen Nickelaluminid gebildet, das auf der Oberfläche des Substrats 22 bis zu einer Dicke von etwa 20 bis ungefähr 125 Mikrometer abgeschieden worden ist. Nach der Abscheidung der Bindeschicht 26 kann eine Oxidschicht 28, wie beispielsweise Aluminiumoxid, bei einer erhöhten Bearbeitungstemperatur gebildet werden. Die Oxidschicht 28 sorgt für eine Oberfläche, an der die keramische Schicht 30 zäher anhaften kann, wodurch die Beständigkeit des Schutzüberzugs 20 gegenüber thermischem Schock gefördert wird.
- Ein bevorzugtes Verfahren zum Abscheiden der Bindeschicht 26 ist Dampfabscheidung für Aluminid-Überzüge oder ein Niederdruck-Plasmasprühen (LPPS für low pressure plasma spray) für einen NiCrAlY Bindeüberzug, obwohl es vorhersehbar ist, dass andere Abscheidungsverfahren, wie beispielsweise Luftplasmasprühen (APS für air plasma spray) oder eine physikalische Dampfabscheidungs (PVB für physical vapor deposition)-Technik verwendet werden könnte. Es ist wichtig, dass die entstehende Bindeschicht 26 und/oder das Substrat 22 poliert werden, um eine durchschnittliche Oberflächenrauhigkeit Ra von höchstens et wa zwei Mikrometer (etwa 80 Mikroinch) hat, wie sie gemäß standadisierten Messverfahren gemessen wird, wobei eine bevorzugte Oberflächenrauhigkeit höchstens etwa ein Mikrometer Ra beträgt. Gemäß dieser Erfindung fördert eine glattere Oberflächenbeschaffenheit (-finish) für die Bindeschicht die Erosionsbeständigkeit der Keramikschicht 30, obwohl der Mechanismus, durch den eine derartige Verbesserung erhalten wird, unklar ist. Es sei bemerkt, dass zwar das US-Patent 4,321,310 für Ulion u. a. die Lehre gibt, dass eine verbesserte thermische Ermüdungszyklusdauer von einem thermischen Schutzüberzug erzielt werden könnte, indem die Grenzfläche zwischen der Bindeschicht und ihren darüber liegenden Oxidschichten poliert wird, aber es wird kein Hinweis auf eine Verbesserung für eine verstärkte Erosionsbeständigkeit der Keramikschicht gelehrt oder nahegelegt.
- Die Keramikschicht 30 wird durch eine physikalische Dampfabscheidung (PVD) abgeschieden, um die gewünschte säulenförmige Kornstruktur für die Keramikschicht 30 zu erzeugen, wie es in Fig. 2 dargestellt ist. Ein bevorzugtes Material für die Keramikschicht 30 ist ein Yttriumoxid-stabilisiertes Zirkonoxid (YSZ), wobei eine bevorzugte Zusammensetzung etwa sechs bis etwa acht Gewichtsprozent Yttriumoxid enthält, obwohl auch andere keramische Materialien verwendet werden könnten, wie beispielsweise Yttriumoxid, nicht-stabilisiertes Zirkonoxid oder Zirkonoxid, das mit Ceroxid (CeO&sub2;) oder Scandiumoxid (Sc&sub2;O&sub3;) stabilisiert ist. Die Keramikschicht 30 wird bis zu einer Dicke abgeschieden, die ausreicht, um für den erforderlichen thermischen Schutz für die Schaufel 10 zu sorgen, im allgemeinen in der Größenordnung von etwa 75 bis etwa 300 Mikrometer. Die Verwendung von einem PVD Yttriumoxid-stabilisierten Zirkonoxid für die Keramikschicht 30 und insbesondere einer Keramikschicht 30, die durch eine physikalische Elektronenstrahl-Dampfabscheidung (EBPVD für electron beam physical vapor deposition) abgeschieden ist, ist wichtig, obwohl nicht essentiell, aufgrund einer augenscheinlichen Fähigkeit für derartige Materialien, Erosion besser zu widerstehen als Luft-Plasma-gesprühte (APS) YSZ und andere Keramiken. Zusätzlich weisen EBPVD Keramiküberzüge eine größere Dauerhaftigkeit gegenüber thermischen Zyklusbewegungen auf aufgrund ihrer Spannungs-toleranten säulenförmigen Mikrostruktur.
- Obwohl PVD Techniken, die in der Technik zum Abscheiden von thermischen Schutzüberzügen verwendet werden, üblicherweise ein Drehen der Zielkomponente erfordern, besteht eine bevorzugte Technik dieser Erfindung darin, die Komponente im wesentlichen stationär zu halten. Es wurde erfindungsgemäß gefunden, dass, wenn die Komponente während des PVD Verfahrens stationär gehalten wird, eine dichtere und trotzdem säulenförmige Kornstruktur erzielt wird und eine signifikante Verbesserung in der Erosionsbeständigkeit für die Keramikschicht 30 entsteht. Obwohl die Basis für diese Verbesserung unklar ist, kann es sein, dass die Korrosionsbeständigkeit als eine Folge der vergrößerten Dichte der Keramikschicht 30 verbessert wird.
- Um einen wesentlich grösseren Wert an Erosionsbeständigkeit zu erzielen, wird die Keramikschicht 30 gemäß dieser Erfindung durch eine prall- und erosionsbeständige Zusammensetzung geschützt, die entweder über der Keramikschicht 30 als ein Verschleißüberzug 24 liegen kann, wie es in Fig. 2 gezeigt ist, oder die gleichzeitig mit der Keramikschicht 30 abgeschieden oder in der Keramikschicht 30 implantiert sein kann als diskrete Teilchen 24a, um so in der Keramikschicht 30 verteilt zu sein, wie es durch Fig. 3 dargestellt ist. Weitere Verbesserungen in der Erosionsbeständigkeit können gemäß dieser Erfindung dadurch erzielt werden, dass die Oberflächenbeschaffenheit der EBPVD Keramikschicht durch ein Verfahren wie beispielsweise Polieren oder eine Taumelbewegung verbessert wird, bevor die erosionsbeständige Zusammensetzung abgeschieden wird.
- Das bevorzugte Verfahren besteht darin, die erosionsbeständige Zusammensetzung als den einzelnen Verschleißüberzug 24 abzuscheiden, wie es durch Fig. 2 dargestellt ist. Durch dieses Verfahren kann der prall- und erosionsbeständige Verschleißüberzug 24 auf einfache Weise durch EBPVD, Zerstäuben oder chemische Dampfabscheidung (CVD für chemical vapor deposi tion) abgeschieden werden, um die Keramikschicht 30 vollständig zu überdecken. Weiterhin bildet der Verschleißüberzug 24 eine geeignete Basis, auf der viele abwechselnde Schichten der Keramikschicht 30 und des Verschleißüberzuges 24 abgeschieden werden können, wie es gestrichelt in Fig. 2 angegeben ist, um für einen mehr graduellen Verlust an sowohl dem Erosionsschutz, der durch den Verschleißüberzug 24 geliefert wird, als auch dem thermischen Schutz, der durch die keramische Schicht 30 geliefert wird, zu sorgen.
- Gemäß dieser Erfindung umfassen erosionsbeständige Zusammensetzungen, die mit der keramischen Schicht 30 kompatibel sind, Aluminiumoxid und Siliciumcarbid. Als ein diskreter Überzug über der keramischen Schicht 30 wird Aluminiumoxid vorzugsweise bis zu einer Dicke von etwa 20 bis etwa 80 Mikrometer durch eine EBPVD Technik abgeschieden, während Siliciumcarbid vorzugsweise bis zu einer Dicke von etwa 10 bis etwa 80 Mikrometer durch chemische Dampfabscheidung abgeschieden wird. Es sei bemerkt, dass der Stand der Technik zwar das Vorhandensein von einer dünnen Aluminiumoxidschicht (wie der Oxidschicht 28) unter der keramischen Schicht von einem thermischen Schutzüberzugssystem vorgeschlagen und häufig angeraten hat, aber für die Verwendung von einer Aluminiumoxidschicht als einen äußeren Verschleißüberzug für ein thermisches Schutzüberzugssystem ist dies nicht der Fall. Im allgemeinen würde der kleinere thermische Ausdehnungskoeffizient von Aluminiumoxid und Siliciumcarbid das Abblättern fördern, wenn der gesamte Überzug 20 aus diesen dünnen, eine kleine Expansion aufweisenden Materialien aufgebaut wäre. Gemäß dieser Erfindung wird geglaubt, dass die Verwendung von einem Verschleißüberzug 24 aus Aluminiumoxid oder Siliciumcarbid über einer säulenförmigen YSZ Keramikschicht 30 ermöglicht, dass Spannungen aufgenommen werden, während dem Überzug 20 eine größere Prall- und Erosionsbeständigkeit gegeben wird.
- Weiterhin ist die Verwendung von Siliciumcarbid als eine äußere Verschleißoberfläche für ein thermisches Schutzüberzugssystem nicht vorgeschlagen worden, wahrscheinlich weil Si liciumcarbid leicht oxidiert wird, um Siliciumdioxid zu bilden, das mit Yttriumoxid-stabilisiertem Zirkonoxid reagiert, um Zirkon- und/oder Yttriumsilicite zu bilden, wodurch ein Abblättern gefördert wird. Überraschenderweise weist, wenn es wie oben beschrieben abgeschieden wird, Siliciumcarbid als der Verschleißüberzug 24 diese Tendenz nicht auf, sondern stattdessen wurde gefunden, dass es einen anhaftenden Überzug bildet, der bricht und mit der säulenförmigen Mikrostruktur der keramischen Schicht 30 expandiert und deshalb auf der Keramikschicht 30 als ein erosionsbeständiger Überzug verbleibt. Abscheidungstechniken, die Siliciumcarbidteilchen zwischen Säulen der säulenförmigen Kornstruktur abscheiden, können ein Abblättern fördern und sind zu vermeiden.
- Wie oben angegeben ist, stellt Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel dieser Erfindung dar, bei dem die erosionsbeständige Zusammensetzung in der keramischen Schicht 30 als diskrete Teilchen 24a verteilt ist. Ein derartiges Ergebnis kann erzielt werden, indem die erosionsbeständige Zusammensetzung und die keramische Schicht 30 gemeinsam abgeschieden oder implantiert werden, wobei bekannte physikalische Dampfabscheidungstechniken verwendet werden. Bei dieser Lösung ist die bevorzugte erosionsbeständige Zusammensetzung Aluminiumoxid in Mengen von vorzugsweise nicht mehr als 80 Gewichtsprozent und, stärker bevorzugt, nicht mehr als etwa 50 Gewichtsprozent von der keramischen Schicht 30.
- Es wurden vergleichende Erosionsprüfungen durchgeführt, um die Effektivität der erosionsbeständigen Zusammensetzungen gemäß dieser Erfindung zu bewerten. Eine Prüfung beinhaltete die Herstellung von Proben der Nickel-Superlegierung IN 601 durch Dampfphasen-Aluminisierung der Oberflächen der Proben bis zu einer Dicke von etwa 50 Mikrometer. Dann wurde eine EBPVD säulenförmige YSZ Keramikschicht bis zu einer Dicke von etwa 130 Mikrometer (etwa 5 Mils) abgeschieden. Dann wurden Verschleißüberzüge aus Siliciumcarbid von entweder etwa 13 Mikrometer (0,5 mil) oder etwa 25 Mikrometer (1 mil) auf einigen der Proben abgeschieden, während andere nicht weiter behandelt wur den, um eine Kontrollgruppe zu bilden. Vorteilhafterweise imitierten die Verschleißüberzüge aus Siliciumcarbid die Oberflächenbeschaffenheit der darunter liegenden Keramikschicht, wodurch die beträchtliche Schwierigkeit vermieden wird, die anderenfalls auftreten würde, um den Verschleißüberzug aus Siliciumcarbid in Vorbereitung für eine anschließend abgeschiedene Schicht zu glätten.
- Die Proben wurden dann auf Erosion geprüft bei Raumtemperatur für verschiedene Zeitlängen mit Aluminiumoxidteilchen, die aus einem Abstand von etwa 10 cm bei einer Geschwindigkeit von etwa sechs Metern pro Sekunde (etwa 20 Fuß pro Sekunde) und unter einem Winkel von etwa 90º auf die Oberfläche der Proben gerichtet wurden. Nach einer Normalisierung der Ergebnisse für die verwendeten Prüfzeiten wurde gefunden, dass die Proben mit Verschleißüberzügen aus Siliciumcarbid eine etwa 30%ige Verkleinerung in der Erosionstiefe und eine etwa 50%ige Verkleinerung im Gewichtsverlust im Vergleich zu den nicht überzogenen Proben der Kontrollgruppe aufweisen.
- Eine zweite Serie von Prüfungen beinhaltete die Herstellung von Proben der Nickel-Superlegierung Rene N5, die aus Zweckmäßigkeitsgründen unten als Gruppen A bis E bezeichnet sind, um die verschiedenen verwendeten Verarbeitungsverfahren zu unterscheiden. Alle Proben waren Dampfphasen-aluminisiert bis zu einer Dicke von etwa 50 Mikrometer, um eine Bindeschicht zu bilden.
- Nach der Abscheidung der Bindeschicht und vor der Abscheidung einer säulenförmigen EBPVD Keramikschicht wurden die Oberflächenbeschaffenheiten der Bindeschichten für alle Proben ermittelt. Proben mit einem Oberflächenfinish von etwa 2,4 Mikrometer Ra (etwa 94 Mikrozoll Ra) wurden mit Gruppe A bezeichnet, während die übrigen Proben poliert wurden, um ein Oberflächenfinish von etwa 1,8 Mikrometer (etwa 71 Mikroinch Ra) zu erzielen. Dann wurde eine EBPVD säulenförmige Keramikschicht von 7% YSZ auf den Proben der Gruppen A und B abgeschieden, um eine Dicke von etwa 125 Mikrometer zu erzielen. Die Abscheidung wurde durchgeführt, während die Proben mit einer Geschwindigkeit von etwa sechs UpM gedreht wurden, was innerhalb eines Bereiches ist, der üblicherweise in der Technik praktiziert wird. Die Proben der Gruppen A und B wurden dann zum Prüfen herausgenommen, während die übrigen Proben eine weitere Bearbeitung durchliefen.
- Im Gegensatz zu den Proben der Gruppen A und B (und auch der Gruppen D, E und F), die mit einer Geschwindigkeit von etwa sechs UpM während der Abscheidung der Keramikschicht gedreht wurden, wurden 7% YSZ Keramikschichten auf den Proben der Gruppe C abgeschieden, während die Proben stationär gehalten wurden. Wie bei den EBPVD säulenförmigen Keramikschichten der Gruppen A und B betrugen die Enddicken der Keramikschichten etwa 125 Mikrometer.
- Nach dem Abscheiden von einer 7% YSZ Keramikschicht mit einer Dicke von etwa 25 Mikrometer durchlief jede Probe der Gruppe D einen zweiten Abscheidungsprozess, durch den ein Verschleißüberzug aus Aluminiumoxid gebildet wurde. Jede Probe wurde mit einem etwa 50 Mikrometer dicken Verschleißüberzug aus Aluminiumoxid unter Verwendung von EBPVD überzogen.
- Aluminiumoxid wurde gemeinsam mit einer 7% YSZ Keramikschicht auf jeder Probe der Gruppe E abgeschieden. Die Dicke der Keramikschicht betrug etwa 125 Mikrometer. Das Aluminiumoxid wurde gemeinsam bei einer von zwei Geschwindigkeiten abgeschieden, wobei die kleinere Geschwindigkeit (Gruppe E1) einen Aluminiumoxidgehalt von etwa drei Gewichtsprozent der Kera mikschicht erzielte und die höhere Geschwindigkeit (Gruppe E2) einen Aluminiumoxidgehalt von etwa 45 Gewichtsprozent erzielte.
- Alle obigen Proben wurden dann in im wesentlichen der identischen Weise, die für die Proben beschrieben ist, die mit Verschleißüberzügen aus Siliciumcarbid überzogen sind, auf Erosion geprüft. Die Ergebnisse dieser Prüfungen sind unten in Tabelle I, nachdem sie für die verwendeten Prüfzeiten normalisiert sind, zusammengefasst, wobei die prozentuale Änderung in der Erosion relativ zu den Proben der Gruppe A ist. Tabelle I
- Aus der obigen Beschreibung wird deutlich, dass signifikante Verbesserungen in der Erosionsbeständigkeit durch jede der obigen Modifikationen erzielt werden können. Am bemerkenswertesten ist, dass die größte Verbesserung in der Erosionsbeständigkeit dem Vorhandensein von etwa drei Gewichtsprozent Aluminiumoxid, das in einer säulenförmigen YSZ verteilt ist, entsprach, dem in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Eine signifikante Verkleinerung in der Erosionsbeständigkeit wurde deutlich, als der Wert von Aluminiumoxid in der Keramikschicht in Richtung auf etwa 50 Gewichtsprozent anstieg. Die Verwendung eines Aluminiumoxid-Verschleißüberzuges über einem säulenförmigen YSZ Keramiküberzug, wie es in Fig. 2 dargestellt ist, erzielte auch eine signifikante Verbesserung in der Erosionsbeständigkeit für die geprüften thermischen Schutzüberzugssysteme. In der Praxis wird ein Aluminiumoxid- Verschleißüberzug über einem säulenförmigen YSZ Keramiküberzug bevorzugt als eine Technik zum Erzielen einer verbesserten Erosionsbeständigkeit für thermische Schutzüberzüge aufgrund einer einfacheren Bearbeitung. Vorteilhafterweise verbessert der Aluminiumoxid-Verschleißüberzug auch die Beständigkeit des thermischen Schutzüberzuges gegenüber chemischen und physikalischen Wechselwirkungen mit irgendwelchen Abscheidungen, die während der Triebwerkslebensdauer auftreten können.
- Auf der Basis der obigen Ergebnisse ist es vorhersehbar, dass ein optimales thermisches Schutzüberzugssystem erzielt werden könnte mit einer säulenförmigen YSZ Keramikschicht 30, die unter Verwendung einer physikahischen Dampfabscheidungstechnik abgeschieden ist, kombiniert mit einem Oberflächenfinish von etwa zwei Mikrometer Ra oder weniger für die Bindeschicht 26 (wie es durch die Proben der Gruppe B angegeben ist), wobei die Zielprobe während der Abscheidung der Keramikschicht 30 stationär gehalten wird (wie es durch die Proben der Gruppe C angegeben ist), und indem Aluminiumoxid oder Siliciumcarbid in der Form von entweder einem Überzug über der Keramikschicht 30 oder einer Dispersion in der Keramikschicht 30 bereitgestellt wird (wie es durch die Siliciumcarbid-Prüfproben und die Proben der Gruppe D und E angegeben ist).
Claims (9)
1. Gegenstand (12) mit einem darauf ausgebildeten
erosionsbeständigen thermischen Schutzüberzug (20), wobei der thermische
Schutzüberzug (20) enthält:
eine metallische oxidationsbeständige Bindeschicht (26),
die eine Oberfläche des Gegenstandes (12) überdeckt,
eine säulenförmige keramische Schicht (30), die auf der
Bindeschicht (26) durch eine physikalische
Dampfabscheidetechnik ausgebildet ist, und
eine erosionsbeständige Zusammensetzung (24), die in dem
thermischen Schutzüberzug (20) vorhanden ist, um so eine
Erosion der säulenförmigen keramischen Schicht (30) zu hemmen,
wobei die erosionsbeständige Zusammensetzung (24) ein
Verschleißüberzug (24) ist, der über der säulenförmigen keramischen
Schicht (30) liegt, um so als ein physikalischer Schutz gegen
einen Feststoff-Aufprall und eine Erosion der säulenförmigen
keramischen Schicht (30) zu dienen, und die aus der aus
Siliziumkarbid und Aluminiumoxid bestehenden Gruppe ausgewählt ist.
2. Gegenstand (12) mit einem darauf ausgebildeten
erosionsbeständigen thermischen Schutzüberzug (20), wobei der thermische
Schutzüberzug (20) enthält:
eine metallische oxidationsbeständige Bindeschicht (26),
die eine Oberfläche des Gegenstandes (12) überdeckt,
eine säulenförmige keramische Schicht (30), die auf der
Bindeschicht (26) durch eine physikalische
Dampfabscheidetechnik ausgebildet ist, und
eine erosionsbeständige Zusammensetzung (24a), die in dem
thermischen Schutzüberzug (20) vorhanden ist, um so eine
Erosion der säulenförmigen keramischen Schicht (30) zu hemmen,
wobei die erosionsbeständige Zusammensetzung (24a) in der
säulenförmigen keramischen Schicht (30) dispergiert ist, um so die
säulenförmige keramische Schicht (30) gegen Erosion
wider
standsfähiger zu machen, und die aus der aus Siliziumkarbid und
Aluminiumoxid bestehenden Gruppe ausgewählt ist.
3. Thermischer Schutzüberzug (20) nach Anspruch 1 oder 2,
wobei die säulenförmige keramische Schicht (30) im wesentlichen
aus Zirkonoxid stabilisiert durch etwa 6 bis etwa 8
Gewichtsprozent Yttriumoxid besteht.
4. Thermischer Schutzüberzug (20) nach Anspruch 1 oder 3,
wobei der thermische Schutzüberzug ferner wenigstens eine zweite
säulenförmige keramische Schicht (30), die über der
erosionsbeständigen Zusammensetzung (24) liegt, und wenigstens eine
zweite erosionsbeständige Zusammensetzung (24) aufweist, die
über der zweiten säulenförmigen keramischen Schicht (30) liegt.
5. Thermischer Schutzüberzug (20) nach Anspruch 2, wobei die
säulenförmige keramische Schicht (30) im wesentlichen aus
Yttriumoxid-stabilisiertem Zirkonoxid und der
erosionsbeständigen Zusammensetzung besteht, wobei die
erosionsbeständige Zusammensetzung (24a) Aluminiumoxid ist und bis zu etwa 45
Gewichtsprozent der säulenförmigen keramischen Schicht (30)
bildet.
6. Thermischer Schutzüberzug (20) nach einem der vorstehenden
Ansprüche, wobei die Bindeschicht (26) eine durchschnittliche
Oberflächenrauhigkeit Ra von nicht mehr als etwa zwei
Mikrometer hat.
7. Thermischer Schutzüberzug (20) nach einem der vorstehenden
Ansprüche, wobei die erosionsbeständige Zusammensetzung (24,
24a) durch eine physikalische oder chemische
Dampfabscheidetechnik abgeschieden ist.
8. Thermischer Schutzüberzug (20) nach einem der vorstehenden
Ansprüche, wobei der Gegenstand (12) ein stromlinienförmiger
Abschnitt von einer Superlegierungs-Turbinenschaufel (10) ist.
9. Thermischer Schutzüberzug (20) nach Anspruch 1, wobei die
erosionsbeständige Zusammensetzung (24) Siliziumkarbid in einer
Dicke in dem Bereich 10 bis 80 Mikrometer aufweist.
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