DE69615412T2

DE69615412T2 - Metallischer gegenstand mit oxidschicht und eine verbesserte haftschicht

Info

Publication number: DE69615412T2
Application number: DE69615412T
Authority: DE
Inventors: Wolfram Beele
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1996-07-25
Filing date: 1996-07-25
Publication date: 2002-06-20
Anticipated expiration: 2016-07-26
Also published as: EP0914498A1; WO1998004759A1; US6127048A; JP2000515202A; JP3466627B2; DE69615412D1; EP0914498B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Metallsubstrat mit einer zweiten Oxidschicht und einer dazwischen angeordneten Verankerungsschicht und insbesondere ein Substrat aus Superlegierung mit einer Wärmedämmschicht und einer die Wärmedämmschicht auf dem Substrat verankernden Schicht.
In den US-PS 4,055,705 von Stecura et al., 4,321,310 von Ulion et al. und 4,321,311 von Strangman werden Beschichtungssysteme für Gasturbinenbauteile aus Superlegierungen auf Nickel- oder Cobaltbasis beschrieben. Ein dort beschriebenes Beschichtungssystem umfaßt eine Wärmedämmschicht aus Keramik, die insbesondere eine stengelförmige Kornstruktur aufweist und auf einer Haftschicht angeordnet ist, die ihrerseits auf dem Substrat angeordnet ist und die Wärmedämmschicht an das Substrat bindet. Die Haftschicht besteht aus einer MCrAlY-Legierung, nämlich einer Chrom, Aluminium und ein Seltenerdmetall wie Yttrium in einer Grundmasse aus Eisen und/oder Cobalt und/oder Nickel enthaltenden Legierung. In einer MCrAlY-Legierung können auch noch andere Elemente vorliegen; Beispiele sind weiter unten aufgeführt. Ein wichtiges Merkmal der Haftschicht ist, daß sich auf der MCrAlY-Legierung in oxidierender Umgebung unter der Wärmedämmschicht eine dünne Oxidschicht entwickelt, die u. a. je nach Zusammensetzung der MCrAlY-Legierung aus Aluminiumoxid oder einem Gemisch aus Aluminiumoxid und Chromoxid besteht. Demgemäß muß für eine Bindung zwischen der Wärmedämmschicht und der Aluminiumoxidschicht gesorgt werden.
In der US-PS 5,238,752 von Duderstadt et al. wird ein Beschichtungssystem für ein Gasturbinenbauteil beschrieben, das ebenfalls eine keramische Wärmedämmschicht und eine Haftschicht, die die Wärmedämmschicht an das Substrat bindet, enthält. Die Haftschicht besteht aus einer intermetallischen Aluminidverbindung, insbesondere Nickelaluminid oder Platinaluminid. Die Haftschicht weist außerdem eine dünne Oxidschicht auf, die zur Verankerung für die Wärmedämmschicht dienen muß.
In der US-PS 5,262,245 von Ulion et al. wird ein Ergebnis von Anstrengungen zur Vereinfachung von Beschichtungssystemen mit Wärmedämmschichten für Gasturbinenbauteile durch Weglassen von Haftschichten beschrieben. Zu diesem Zweck wird eine Zusammensetzung für eine Superlegierung beschrieben, die zur Bildung eines Substrats für ein Gasturbinenbauteil verwendet werden kann und bei geeigneter Behandlung auf ihren Außenflächen eine Aluminiumoxidschicht entwickelt. Diese Aluminiumoxidschicht dient dazu, eine keramische Wärmedämmschicht direkt auf dem Substrat zu verankern und dadurch die Notwendigkeit des Einsatzes einer speziellen Haftschicht zwischen dem Substrat und der Wärmedämmschicht zu beseitigen.
In der US-PS 5,087,477 von Giggins et al. wird ein Verfahren zum Aufbringen einer keramischen Wärmedämmschicht auf ein Gasturbinenbauteil nach einem PVD-Verfahren beschrieben. Hierbei baut man an dem Bauteil, das die Wärmedämmschicht erhalten soll, eine Atmosphäre mit kontrolliertem Sauerstoffgehalt auf, verdampft Verbindungen mit einem Elektronenstrahl und bildet eine Gasphase und schlägt die Gasphase zur Bildung der Wärmedämmschicht auf dem Bauteil nieder.
In den US-PS 5,154,885, 5,268,238, 5,273,712 und 5,401,307 von Czech et al. werden hochentwickelte Beschichtungssysteme für Gasturbinenbauteile mit Schutzbeschichtungen aus MCrAlY-Legierungen beschrieben. Die beschriebenen MCrAlY-Legierungen besitzen sorgfältig ausgewogene Zusammensetzungen, die eine außergewöhnlich gute Korrosions- und Oxidationsbeständigkeit sowie eine außergewöhnlich gute Verträglichkeit (mechanisch, chemisch) mit den für die Substrate verwendeten Superlegierungen ergeben. Die Grundlage für die MCrAlY-Legierungen bilden Nickel und/oder Cobalt. Zusätze weiterer Elemente, insbesondere Silicium und Rhenium, werden ebenfalls diskutiert. Rhenium wird insbesondere als ein sehr vorteilhafter Zusatz dargestellt. Alle aufgezeigten MCrAlY-Legierungen eignen sich ferner sehr gut als Haftschichten zur Verankerung von Wärmedämmschichten auf Gasturbinenbauteilen. Die US-PS 5,401,307 enthält auch eine Übersicht über Zusammensetzungen von Superlegierungen, die zur Herstellung von Gasturbinenbauteilen geeignet sind.
Bei einem Standardverfahren zur Anbindung einer Oxidschicht, insbesondere einer Wärmedämmschicht, an ein Erzeugnis bringt man auf das Erzeugnis eine Verankerungsschicht aus Aluminiumoxid auf, indem man entweder eine geeignete Haftschicht auf das Erzeugnis aufbringt, die unter oxidierenden Bedingungen auf ihrer Oberfläche das Aluminiumoxid entwickelt, oder für das Erzeugnis einen Werkstoff wählt, der selbst in der Lage ist, auf seiner Oberfläche eine Aluminiumoxidschicht zu entwickeln. Die Wärmedämmschicht wird dann auf die Haftschicht aufgebracht und über die Verankerungsschicht an das Substrat gebunden.
Die Wärmedämmschicht selbst besteht zweckmäßigerweise aus Oxidkeramik, insbesondere stabilisiertem oder teilstabilisiertem Zirkoniumoxid. Als "teilstabilisiertes Zirkoniumoxid" wird eine Familie von Zubereitungen eingestuft, die Zirkoniumoxid als Hauptbestandteil und mindestens eine andere Verbindung, die mit dem Zirkoniumoxid gründlich vermischt ist und eine Änderung der kristallinen Eigenschaften des Zirkoniumoxids bei wechselnder thermischer Belastung inhibiert, enthält. Beispiele für derartige andere Verbindungen sind Yttriumoxid, Calciumoxid, Magnesiumoxid, Ceroxid und Lanthanoxid; zur Erzielung des gewünschten Effekts sind diese anderen Verbindungen dem Zirkoniumoxid in Mengen von bis zu 10 Gewichtsprozent oder noch mehr beizumischen. Beispiele sind den zitierten Druckschriften des Standes der Technik zu entnehmen.
Den Besonderheiten der Anbindung der Wärmedämmschicht an eine im wesentlichen aus Aluminiumoxid bestehende Verankerungsschicht ist in der Fachwelt noch keine große Anerkennung, geschweige denn Diskussion, zuteil geworden. Es wurde mehr oder weniger als selbstverständlich angesehen, daß das Aluminiumoxid, das selbst eine Keramik ist und als an ein geeignetes Metallsubstrat gebundene Schicht entwickelt wird, allein durch sein Vorhandensein die Bindung zwischen dem Metallsubstrat und einer auf das Aluminiumoxid aufgebrachten Wärmedämmschicht gewährleistet. Bislang wurde zur Verankerung einer Wärmedämmschicht auf einem Substrat aus Superlegierung nur eine Aluminiumoxidschicht in Erwägung gezogen, wobei ihr abnehmendes Bindungsvermögen und ihre zunehmende Abplatzungswahrscheinlichkeit beim Anwachsen im Betrieb infolge der Einwirkung einer oxidierenden Umgebung jedoch unberücksichtigt blieben. Ein derartiges Wachstum ist bei einem Gasturbinenbauteil unter hoher thermischer Belastung in einer oxidierenden Umgebung mit Sicherheit zu erwarten.
Weitere eigene Untersuchungen ergaben, daß es nicht das bloße Vorhandensein einer Aluminiumoxid- Verankerungsschicht ist, das eine darauf aufgebrachte Wärmedämmschicht daran bindet, sondern eine zwischen dem Aluminiumoxid und der Wärmedämmschicht ablaufende chemische Reaktion in fester Phase, die eine dünne Mischzone zwischen der Verankerungsschicht und der Wärmedämmschicht erzeugt, in der sowohl aus der Verankerungsschicht als auch aus der Wärmedämmschicht gebildete Verbindungen für die Anbindung sorgen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Metallsubstrat mit einer Oxidschicht und einer verbesserten Verankerungsschicht, das die oben geschilderten Nachteile der bisher bekannten Vorrichtungen und Verfahren dieses allgemeinen Typs überwindet und die Anbindung der Oxidschicht, insbesondere einer keramischen Wärmedämmschicht, an ein Substrat durch eine Verankerungsschicht durch Modifizierung der Verankerungsschicht verbessert.
Gegenstand der Erfindung ist im Hinblick auf die obigen und weitere Aufgaben ein Erzeugnis gemäß Anspruch 1.
Die Verankerungsschicht enthält das ternäre Oxid als Hauptbestandteil oder besteht im wesentlichen aus dem ternären Oxid. Unter "Hauptbestandteil" ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine Stoffzusammensetzung zu verstehen, in der die genannte Komponente in einer Menge von mehr als 50% (in Gewichtsteilen gemessen) vorliegt.
Nach einer anderen Ausführungsform der Erfindung kann das ternäre Oxid auch Spinelle und Perowskite enthalten. Durch diese Begriffe werden ternäre Oxide anhand ihrer Zusammensetzung und ihrer kristallographischen Struktur spezifiziert. Insbesondere besitzt ein Spinell die chemische Zusammensetzung AB&sub2;O&sub4;, ein Pyrochlor die Zusammensetzung B&sub2;C&sub2;O&sub7; und ein Perowskit die Zusammensetzung ABO&sub3;. Hierbei bezeichnet A ein zweiwertiges Metall, B ein dreiwertiges Metall und C ein vierwertiges Metall; O steht für Sauerstoff. Beispiele für Spinelle und Pyrochlore sind YbAl&sub2;O&sub4;, MgAl&sub2;O&sub4;, CaAl&sub2;O&sub4;; Al&sub2;Zr&sub2;O&sub7;. Alle explizit aufgeführten oder durch eine allgemeine Formel beschriebenen ternären Oxide sind als solche bekannt.
Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung handelt es sich bei dem zweiten metallischen Element um Zirkonium, und die zweite Oxidschicht kann Zirkoniumoxid als Hauptbestandteil enthalten und besteht insbesondere im wesentlichen aus teilstabilisiertem Zirkoniumoxid. In diesem Zusammenhang ist es besonders bevorzugt, daß es sich bei dem ersten metallischen Element um Aluminium und bei dem ternären Oxid um ein Pyrochlor aus Aluminium, Zirkonium und Sauerstoff handelt. Ein Hauptgrund für diese Bevorzugung besteht darin, daß es sich erwiesen hat, daß das Pyrochlor aus Aluminium, Zirkonium und Sauerstoff an einer Grenzfläche zwischen einer Aluminiumoxidschicht und einer Zirkoniumoxidschicht auftritt und in der Tat für die Bindung zwischen diesen beiden Verbindungen sorgt. Demgemäß ist zu erwarten, daß die Bereitstellung einer aus diesem Pyrochlor gebildeten Verankerungsschicht gute Anbindungseigenschaften, wie sie im Stand der Technik anzutreffen sind, liefert, die selbst bei Bildung von zusätzlichem Aluminiumoxid zwischen der Verankerungsschicht und dem Substrat, wie sie für ein als Gasturbinenbauteil unter starker Belastung dienendes Erzeugnis zu erwarten ist, zuverlässig gewahrt werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Verankerungsschicht mit Stickstoff dotiert, vorzugsweise in einer Menge zwischen 1 und 10 Atomprozent.
Nach noch einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist das Substrat aus einer Nickelbasis- oder Cobaltbasis-Superlegierung gebildet.
Nach noch einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist zwischen dem Substrat und der Verankerungsschicht eine Haftschicht angeordnet. Die Haftschicht ist vorzugsweise aus einem Werkstoff aus der Gruppe bestehend aus Metallaluminiden und MCrAlY- Legierungen gebildet und weist eine bevorzugte Dicke von weniger als 25 Mikrometer auf.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform bilden das Substrat, die Verankerungsschicht und die zweite Oxidschicht zusammen ein Gasturbinenbauteil. Ein derartiges Bauteil weist insbesondere einen Montierteil zum Festhalten des Bauteils im Betrieb und einen aktiven Teil, der einem im Betrieb am Bauteil entlangströmenden heißen Gasstrom ausgesetzt ist, auf, wobei der aktive Teil zumindest teilweise von der Verankerungsschicht und der zweiten Oxidschicht bedeckt ist. Das Bauteil kann insbesondere als Laufschaufel, Leitschaufel oder Hitzeschildteil ausgebildet sein.
Gegenstand der Erfindung ist im Hinblick auf die obigen und weitere Aufgaben weiterhin ein Verfahren zum Anbinden einer zweiten Oxidschicht an ein Erzeugnis aus einem Metallsubstrat, das eine Oberfläche aufweist und auf der Oberfläche eine fest daran gebundene erste Oxidschicht entwickeln kann, welche ein erstes metallisches Element enthält, bei dem man: auf die Oberfläche eine Verankerungsschicht aufbringt, die ein ternäres Oxid enthält, das als Hauptbestandteil ein aus dem ersten metallischen Element, dem zweiten metallischen Element und Sauerstoff gebildetes ternäres Oxid mit Pyrochlor-Struktur enthält; auf die Verankerungsschicht die zweite Oxidschicht aufbringt und die zweite Oxidschicht über die Verankerungsschicht an das Substrat anbindet.
Gegenstand der Erfindung ist im Hinblick auf die obigen und weitere Aufgaben weiterhin ein Verfahren zum Anbinden einer zweiten Oxidschicht, die ein zweites metallisches Element enthält, an ein Erzeugnis aus einem Substrat mit einer durch ein erstes Oxid, das ein erstes metallisches Element enthält, gebildeten Oberfläche, bei dem man: auf die Oberfläche eine Verankerungsschicht aufbringt, die ein aus dem ersten metallischen Element, dem zweiten metallischen Element und Sauerstoff gebildetes ternäres Oxid enthält; auf die Verankerungsschicht die zweite Oxidschicht aufbringt und die zweite Oxidschicht über die Verankerungsschicht an das Substrat anbindet.
Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung erfolgt das Anbinden der zweiten Oxidschicht an das Substrat, indem man das Substrat mit den verschiedenen darauf aufgebrachten Schichten einer geeignet gewählten erhöhten Temperatur aussetzt. Dadurch werden an den jeweiligen Grenzflächen zwischen einer Schicht und dem Substrat bzw. zwischen zwei Schichten chemische Reaktionen in fester Phase bewirkt und die gewünschten Bindungen erzeugt. Dieser Schritt kann schließlich gleichzeitig mit dem Aufbringen der zweiten Oxidschicht durchgeführt werden.
Nach noch einer weiteren Ausführungsform der Erfindung bringt man die Verankerungsschicht auf, indem man: um das Erzeugnis herum eine sauerstoffhaltige Atmosphäre aufbaut; eine Verbindung des ersten metallischen Elements und eine Verbindung des zweiten metallischen Elements in die Atmosphäre verdampft und eine ternäre Gasphase, die das erste metallische Element, das zweite metallische Element und den Sauerstoff enthält, bildet und die ternäre Gasphase auf dem Erzeugnis niederschlägt.
Die zu verdampfende Verbindung des ersten metallischen Elements wird vorzugsweise aus der Gruppe bestehend aus dem ersten metallischen Element und einem Oxid oder Oxiden des ersten metallischen Elements ausgewählt. Bei der Verbindung des zweiten metallischen Elements handelt es sich vorzugsweise um ein Oxid des zweiten metallischen Elements.
Nach noch einer weiteren Ausführungsform der Erfindung verdampft man zumindest die Verbindung des ersten metallischen Elements oder die Verbindung des zweiten metallischen Elements durch Bestrahlen mindestens eines die jeweilige Verbindung enthaltenden festen Targets mit einem Elektronenstrahl.
In einer Weiterbildung der Erfindung geht man beim Aufbringen der Verankerungsschicht so vor, daß man: zunächst die Sauerstoff mit einem gegebenen Partialdruck enthaltende Atmosphäre aufbaut und die Verbindung des ersten metallischen Elements und die Verbindung des zweiten metallischen Elements verdampft, die ternäre Gasphase bildet und die ternäre Gasphase unter gleichzeitiger Senkung des Sauerstoffpartialdrucks in der Atmosphäre auf dem Erzeugnis niederschlägt. Die zweite Oxidschicht wird dann aufgebracht, indem man: um das Erzeugnis eine andere sauerstoffhaltige Atmosphäre aufbaut; eine Verbindung mit dem zweiten metallischen Element verdampft und eine Oxidgasphase bildet; die Oxidgasphase auf der Verankerungsschicht niederschlägt und die Verankerungsschicht mit Sauerstoff aus der Atmosphäre und Sauerstoff aus der sich auf der Verankerungsschicht niederschlagenden Oxidgasphase zur Reaktion bringt.
Nach noch einer weiteren Ausführungsform der Erfindung geht man beim Aufbringen der zweiten Oxidschicht so vor, daß man eine Verbindung mit dem zweiten metallischen Element verdampft und eine Oxidgasphase bildet und die Oxidgasphase auf der Verankerungsschicht niederschlägt.
Nach einer begleitenden Ausführungsform der Erfindung dotiert man beim Aufbringen der Verankerungsschicht die Verankerungsschicht mit Stickstoff. Dadurch wird aus der Verankerungsschicht eine effiziente Diffusionsbarriere zur Verhinderung der Wanderung von diffusionsaktiven Elementen durch die Verankerungsschicht in die zweite Oxidschicht. Zur Dotierung kann man insbesondere die Verankerungsschicht mittels PVD oder einem ähnlichen Verfahren in einer eine Menge an Stickstoff enthaltenden Atmosphäre aufbringen oder die Verankerungsschicht nach dem Aufbringen in einer stickstoffhaltigen Atmosphäre wärmebehandeln, wodurch Stickstoff in die Verankerungsschicht hineindiffundiert.
Andere Merkmale, die als für die Erfindung kennzeichnend erachtet werden, sind in den beigefügten Ansprüchen dargelegt.
Die Erfindung wurde zwar hier in der Ausführung als Metallsubstrat mit einer Oxidbeschichtung und einer verbesserten Verankerungsschicht veranschaulicht und beschrieben, soll aber trotzdem nicht auf die dargestellten Einzelheiten beschränkt sein, da daran innerhalb des Schutzbereichs und Rahmens von Äquivalenten der Ansprüche verschiedene Modifikationen und strukturelle Änderungen vorgenommen werden können, ohne vom Grundgedanken der Erfindung abzuweichen.
Die Konstruktion sowie weitere Gegenstände und Vorteile der Erfindung sind jedoch am besten anhand der nachfolgenden Beschreibung der speziellen Ausführungsform unter Zuhilfenahme der beigefügten Zeichnungen verständlich. Es zeigen:
Fig. 1 eine weggebrochene Querschnittsansicht eines Substrats mit einem Schutzbeschichtungssystem mit einer zweiten Oxidschicht und einer Verankerungsschicht und
Fig. 2 eine perspektivische Darstellung eines Gasturbinentragflächenbauteils mit dem Substrat und dem Schutzbeschichtungssystem gemäß Fig. 1.
Bei Betrachtung der Figuren der Zeichnung im einzelnen und zunächst insbesondere der Fig. 1 erkennt man ein Substrat 1 eines Erzeugnisses, insbesondere eines Gasturbinenbauteils, das im Betrieb starker thermischer Belastung unterliegt und gleichzeitig korrosivem und erosivem Angriff einschließlich oxidativem Angriff ausgesetzt ist. Das Substrat 1 besteht aus einem Werkstoff, der bei hoher thermischer Belastung und gegebenenfalls zusätzlicher mechanischer Belastung durch starke Kräfte wie Zentrifugalkräfte Festigkeit und strukturelle Stabilität verleiht. Ein Werkstoff, der für einen solchen Zweck weithin anerkannt und in einem Gasturbinenmotor eingesetzt wird, ist eine Superlegierung auf Nickel- oder .Cobaltbasis. Besonders bevorzugte Superlegierungen sind beispielsweise die Nickelbasis-Superlegierung IN738LC und die Cobaltbasis-Superlegierung MAR-M-509 entsprechend den in der Praxis allgemein üblichen Spezifikationen.
Zur Einschränkung der thermischen Belastung des Substrats 1 ist darauf eine Wärmedämmschicht in Form einer zweiten Oxidschicht 2 angeordnet. Diese zweite Oxidschicht 2 besteht aus einer Oxidkeramik mit stengelförmiger Kornstruktur, insbesondere im wesentlichen aus stabilisiertem oder teilstabilisiertem Zirkoniumoxid, wie oben bereits erläutert. Die zweite Oxidschicht 2 ist mittels einer Verankerungsschicht 3 auf dem Substrat 1 verankert. Diese Verankerungsschicht 3 ist auf einer zuvor auf das Substrat 1 aufzubringenden Haftschicht 4 entwickelt. Die Haftschicht 4 besteht aus einer MCrAlY-Legierung und vorzugsweise aus einer MCrAlY-Legierung gemäß einer der US-PS 5,154,885, 5,268,238, 5,273,712 und 5,401,307. In der Zeichnung sind die Dicken der Schichten 3 und 4 nicht maßstabsgetreu dargestellt; die Verankerungsschicht 3 kann in Wirklichkeit viel dünner als die Haftschicht 4 sein und sich lediglich auf ein paar Atomlagen belaufen, wie weiter oben bereits angegeben wurde.
Die Verankerungsschicht 3 besteht im wesentlichen aus einem Pyrochlor aus einem ersten metallischen Element, nämlich Aluminium, und einem zweiten metallischen Element, dessen Oxid zumindest teilweise die zweite Oxidschicht 2 bildet, nämlich Zirkonium. Dieses Pyrochlor besitzt eine chemische und kristallographische Affinität zu dem die zweite Oxidschicht 2 bildenden Material sowie dem den unmittelbar unter der Verankerungsschicht 3 liegenden Teil des Erzeugnisses bildenden Material, nämlich der Haftschicht 4, die ihrerseits aufgrund ihrer Fähigkeit, eine fest daran gebundene Aluminiumoxidschicht zu entwickeln, eine Affinität zu Aluminiumoxid aufweist, oder einer fest an die Haftschicht 4 gebundene und darauf unter Einwirkung einer oxidierenden Umgebung entwickelten Aluminiumoxidschicht. Die Verankerungsschicht 3 bildet somit eine bevorzugte Grenzfläche zwischen der Oxidschicht 2 und dem unter der Verankerungsschicht 3 liegenden Teil des Erzeugnisses, in der gezeigten Ausführungsform der Haftschicht 4 bzw. einer aus der Haftschicht 4 unter oxidierenden Bedingungen hervorgehenden Aluminiumoxidschicht.
Die Verankerungsschicht 3 kann insbesondere nach einem PVD-Verfahren (PVD = Physical Vapor Deposition), vorzugsweise mittels Elektronenstrahl-PVD und in sauerstoffhaltiger Atmosphäre, aufgebracht werden. Insbesondere hält man bei einem derartigen Verfahren das Substrat 1 bei einer Temperatur von etwa 700ºC. Außerdem kann es von Vorteil sein, die Verankerungsschicht 3 mit Sauerstoffmangel aufzubringen und während des Aufbringens der zweiten Oxidschicht 2 mit zusätzlichem Sauerstoff zur Reaktion zu bringen, was dann in einer anderen sauerstoffhaltigen Atmosphäre geschehen muß.
Ganz besonders bevorzugt bringt man die Verankerungsschicht 3 auf, indem man ein paar Atomlagen mit fast stöchiometrischer Zusammensetzung niederschlägt und den Rest der Verankerungsschicht 3 mit Sauerstoffmangel aufbringt. Dabei geht man zweckmäßigerweise so vor, daß man zunächst eine verhältnismäßig sauerstoffreiche, vorzugsweise den oben angegebenen Spezifikationen entsprechende Atomsphäre bereitstellt. Die Gegenwart von Sauerstoff in verhältnismäßig großer Menge führt zu chemischen Reaktionen mit den Bestandteilen des unmittelbar unter der Verankerungsschicht 3 liegenden Materials und liefert so eine feste Anbindung der Verankerungsschicht 3. Anschließend wird der Sauerstoffgehalt der Atmosphäre gesenkt, insbesondere durch Verringerung des Gesamtdrucks der Atmosphäre. Dem somit in der Verankerungsschicht 3 auftretende Sauerstoffmangel wird danach durch eine chemische Reaktion mit den Bestandteilen der zweiten Oxidschicht 2 und bereitgestelltem Sauerstoff beim Aufbringen der zweiten Oxidschicht 2 abgeholfen. Dies ergibt eine feste Anbindung auch an die zweite Oxidschicht 2. Die Dicke der Verankerungsschicht 3 wird vorzugsweise unter 25 Mikrometer (um) gehalten.
Das Aufbringen der zweiten Oxidschicht 2 auf die Verankerungsschicht 3 kann unmittelbar nach dem Aufbringen der Verankerungsschicht 3 und insbesondere unter weitestmöglicher Verwendung von vorher verwendeten Vorrichtungen erfolgen. Dies kann insbesondere dann gelten, wenn die zweite Oxidschicht 2 ebenfalls mittels PVD aufgebracht wird.
Die zweite Oxidschicht 2 kann natürlich auch mit anderen Mitteln als PVD aufgebracht werden. Insbesondere kann man die zweite Oxidschicht 2 durch atmosphärisches Plasmaspritzen aufbringen.
Als weitere Verbesserung ist auch eine Dotierung der Verankerungsschicht 3 mit Stickstoff vorgesehen, bei der sich ein Stickstoffgehalt zwischen t und 10 Atomprozent, insbesondere zwischen 2 und 5 Atomprozent, ergibt. Der Stickstoff liefert bestimmte geringfügige Unausgeglichenheiten in der Ladungsbilanz und räumliche Verzerrungen im Kristallgitter des ternären Oxids und macht es damit für andere Elemente undurchlässig oder undurchdringbar. Dadurch kann der Übergang von diffusionsaktiven Elementen wie Hafnium, Titan, Wolfram und Silicium von dem Substrat 1 oder der Haftschicht 4 in die zweite Oxidschicht 2 verhindert werden. Diese Maßnahme ist besonders gut geeignet, wenn es sich bei der zweiten Oxidschicht 2 um eine Zirkoniumoxidverbindung handelt, da fast jede Zirkoniumoxidverbindung zur Stabilisierung ihrer relevanten Eigenschaften eine Beimischung einer anderen Verbindung enthalten muß. Weitere in die Zirkoniumoxidverbindung eindringende Elemente können sehr wohl die Stabilisierung beeinträchtigen und somit deren Langzeitwirkung in Frage stellen, insbesondere bei Verwendung als Wärmedämmschicht. Die Stickstoffdotierung der Verankerungsschicht 3 eignet sich sehr gut zur Gewährleistung einer Langzeitwirkung der zweiten Oxidschicht 2. Die Stickstoffdotierung der Verankerungsschicht 3 kann gleichzeitig mit ihrem Aufbringen erfolgen, insbesondere mittels PVD in einer eine wirksame Menge Stickstoff enthaltenden Atmosphäre. In diesem Zusammenhang können alle gerade beschriebenen PVD-Verfahren zur Anwendung kommen, indem man Atmosphären einsetzt, die neben Sauerstoff Stickstoff enthalten. Die Verankerungsschicht 3 kann auch nach ihrem Aufbringen dotiert werden, insbesondere durch Wärmebehandlung in einer eine wirksame Menge Stickstoff enthaltenden Atmosphäre und Eindiffundierenlassen des Stickstoffs in die Verankerungsschicht 3.
Fig. 2 zeigt das vollständige Gasturbinenbauteil, nämlich ein Gasturbinentragflächenbauteil 5, insbesondere eine Turbinenlaufschaufel. Das Bauteil 5 weist einen Tragflächenteil 6, der im Betrieb einen "aktiven Teil" des Gasturbinenmotors bildet, einen Montierteil 7, der das Bauteil 5 in seiner Stellung festhält, und ein Dichtband 8, das zusammen mit angrenzenden Dichtbändern benachbarter Bauteile eine Dichtung bildet, die das Austreten eines im Betrieb am Tragflächenteil 6 entlangströmenden Gasstroms 9 verhindert, auf.
Die Position der in Fig. 1 dargestellten Anordnung ist durch die Schnittlinie I-I angedeutet.
Wiederum unter Bezugnahme auf Fig. 1 kann man besondere Vorteile der neuen Kombination aus der Verankerungsschicht 3 und der zweiten Oxidschicht 2 folgendermaßen zusammenfassen: Die Verankerungsschicht 3 hat eine Zusammensetzung, die mit der zweiten Oxidschicht 2 sowie der Haftschicht 4 Ähnlichkeiten aufweist und durch chemische Reaktionen in fester Phase fest an beide Schichten gebunden ist. Sie sorgt für einen glatten und gestuften Übergang zwischen dem Material der zweiten Oxidschicht 2 und einer sich zwischen der Verankerungsschicht 3 und dem Substrat 1 oder der Haftschicht 4 entwickelnden Aluminiumoxidschicht und behält dabei dennoch die durch die Festphasenreaktionen gelieferten festen Bindungen. Die Verankerungsschicht 3 kann unabhängig von der zweiten Oxidschicht 2 aufgebracht werden. Die Oxidation des Substrats 1 oder der gegebenenfalls vor Inbetriebnahme des Bauteils darauf abgeschiedenen Haftschicht 4 kann vermieden werden, wodurch die erhältliche Lebensdauer des Bauteils beträchtlich verlängert wird. Die so hergestellte Kombination aus der Verankerungsschicht 3 und der zweiten Oxidschicht 2 weist alle Vorteile derartiger, aus dem Stand der Technik bekannter Kombinationen auf und zeichnet sich darüber hinaus durch eine wesentlich verlängerte Lebensdauer aus.

Claims

1. Erzeugnis mit:

einem Metallsubstrat, das eine Oberfläche aufweist und auf der Oberfläche eine fest daran gebundene erste Oxidschicht entwickeln kann, welche ein erstes metallisches Element enthält;

einer auf der Oberfläche angeordneten Verankerungsschicht, die als Hauptbestandteil ein aus dem ersten metallischen Element, einem zweiten metallischen Element und Sauerstoff gebildetes ternäres Oxid mit Pyrochlor-Struktur enthält; und

einer auf der Verankerungsschicht angeordneten zweiten Oxidschicht, die ein Oxid des zweiten metallischen Elements enthält.

2. Erzeugnis mit:

einem Substrat mit einer durch ein erstes Oxid, das ein erstes metallisches Element enthält, gebildeten Oberfläche;

einer auf der Verankerungsschicht angeordneten und über die Verankerungsschicht an die Oberfläche gebundenen zweiten Oxidschicht, die ein Oxid des zweiten metallischen Elements enthält.

3. Erzeugnis nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Verankerungsschicht das ternäre Oxid als Hauptbestandteil enthält.

4. Erzeugnis nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Verankerungsschicht im wesentliche aus dem ternären Oxid besteht.

5. Erzeugnis nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das erste metallische Element Aluminium ist.

6. Erzeugnis nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das zweite metallische Element Zirkonium ist.

7. Erzeugnis nach Anspruch 6, bei dem die zweite Oxidschicht als Hauptbestandteil Zirkoniumoxid enthält.

8. Erzeugnis nach Anspruch 6, bei dem die zweite Oxidschicht im wesentlichen aus teilstabilisiertem Zirkoniumoxid besteht.

9. Erzeugnis nach einem der Ansprüche 6 bis 8, bei dem das erste Element Aluminium ist und das ternäre Oxid ein Pyrochlor aus Aluminium, Zirkonium und Sauerstoff ist.

10. Erzeugnis nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Verankerungsschicht mit Stickstoff dotiert ist.

11. Erzeugnis nach Anspruch 10, bei dem der Stickstoff in der Verankerungsschicht in einer Menge zwischen 1 und 10 Atomprozent vorliegt.

12. Erzeugnis nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Substrat aus einer Nickelbasis- oder Cobaltbasis-Superlegierung gebildet ist.

13. Erzeugnis nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das eine zwischen dem Substrat und der Verankerungsschicht angeordnete metallische Haftschicht enthält und bei dem die Oberfläche auf der Haftschicht definiert ist.

14. Erzeugnis nach Anspruch 13, bei dem die Haftschicht aus einem Werkstoff aus der Gruppe bestehend aus Metallaluminiden und MCrAlY-Legierungen gebildet ist.

15. Erzeugnis nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Verankerungsschicht eine Dicke von weniger als 25 Mikrometer aufweist.

16. Erzeugnis nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Substrat, die Verankerungsschicht und die zweite Oxidschicht ein Gasturbinenbauteil bilden.

17. Erzeugnis nach Anspruch 16, bei dem das Gasturbinenbauteil einen Montierteil zum Festhalten des Bauteils im Betrieb und einen aktiven Teil, der einem im Betrieb am Bauteil entlangströmenden heißen Gasstrom ausgesetzt ist, aufweist, wobei der aktive Teil zumindest teilweise von der Verankerungsschicht und der zweiten Oxidschicht bedeckt ist.

18. Verfahren zum Anbinden einer zweiten Oxidschicht, die ein zweites metallisches Element enthält, an ein Erzeugnis aus einem Metallsubstrat, das eine Oberfläche aufweist und auf der Oberfläche eine fest daran gebundene erste Oxidschicht entwickeln kann, welche ein erstes metallisches Element enthält, bei dem man:

auf die Oberfläche eine Verankerungsschicht aufbringt, die als Hauptbestandteil ein aus dem ersten metallischen Element, dem zweiten metallischen Element und Sauerstoff gebildetes ternäres Oxid mit Pyrochlor- Struktur enthält;

auf die Verankerungsschicht die zweite Oxidschicht aufbringt und

die zweite Oxidschicht über die Verankerungsschicht an das Substrat anbindet.

19. Verfahren zum Anbinden einer zweiten Oxidschicht, die ein zweites metallisches Element enthält, an ein Erzeugnis aus einem Substrat mit einer durch einer erste Oxidschicht, die ein erstes metallisches Element enthält, gebildeten Oberfläche, bei dem man:

auf die Oberfläche eine Verankerungsschicht aufbringt, die ein aus dem ersten metallischen Element, dem zweiten metallischen Element und Sauerstoff gebildetes ternäres Oxid mit Pyrochlor-Struktur enthält;

auf die Verankerungsschicht die zweite Oxidschicht aufbringt und

die zweite Oxidschicht über die Verankerungsschicht an das Substrat anbindet.

20. Verfahren nach Anspruch 18 oder 19, bei dem man beim Anbinden der zweiten Oxidschicht an das Substrat so vorgeht, daß man das Substrat mit den darauf aufgebrachten Schichten einer erhöhten Temperatur aussetzt.

21. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 20, bei dem man beim Aufbringen der Verankerungsschicht:

um das Erzeugnis herum eine sauerstoffhaltige Atmosphäre aufbaut;

eine Verbindung des ersten metallischen Elements und eine Verbindung des zweiten metallischen Elements in die Atmosphäre verdampft und eine ternäre Gasphase, die das erste metallische Element, das zweite metallische Element und den Sauerstoff enthält, bildet und

die ternäre Gasphase auf dem Erzeugnis niederschlägt.

22. Verfahren nach Anspruch 21, bei dem man die zu verdampfende Verbindung des ersten metallischen Elements aus der Gruppe bestehend aus dem ersten metallischen Element und einem Oxid des ersten metallischen Elements auswählt.

23. Verfahren nach Anspruch 21 oder 22, bei dem man als zu verdampfende Verbindung des zweiten metallischen Elements ein Oxid des zweiten metallischen Elements auswählt.

24. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 23, bei dem man zumindest die Verbindung des ersten metallischen Elements oder die Verbindung des zweiten metallischen Elements durch Bestrahlen mindestens eines die jeweilige Verbindung enthaltenden festen Targets mit einem Elektronenstrahl verdampft.

25. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 24, bei dem man beim Aufbringen der Verankerungsschicht:

zunächst die Sauerstoff mit einem gegebenen Partialdruck enthaltende Atmosphäre aufbaut und

die Verbindung des ersten metallischen Elements und die Verbindung des zweiten metallischen Elements verdampft, die ternäre Gasphase bildet und die ternäre Gasphase unter gleichzeitiger Senkung des Sauerstoffpartialdrucks in der Atmosphäre auf dem Erzeugnis niederschlägt;

und bei dem man beim Aufbringen der zweiten Oxidschicht:

um das Erzeugnis eine ändere sauerstoffhaltige Atmosphäre aufbaut;

eine Verbindung mit dem zweiten metallischen Element verdampft und eine Oxidgasphase bildet;

die Oxidgasphase auf der Verankerungsschicht niederschlägt und

die Verankerungsschicht mit Sauerstoff aus der Atmosphäre und Sauerstoff aus der sich auf der Verankerungsschicht niederschlagenden Oxidgasphase zur Reaktion bringt.

26. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 25, bei dem man beim Aufbringen der zweiten Oxidschicht eine Verbindung mit dem zweiten metallischen Element verdampft und eine Oxidgasphase bildet und die Oxidgasphase auf der Verankerungsschicht niederschlägt.

27. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 25, bei dem man beim Aufbringen der Verankerungsschicht die Verankerungsschicht mit Stickstoff dotiert.