DE69717007T2 - Wärmedämmschicht für Superlegierung und Methode zu deren Auftragung - Google Patents
Wärmedämmschicht für Superlegierung und Methode zu deren AuftragungInfo
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Description
- Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Wärmedämmschicht, die auf die Oberfläche eines aus einer Superlegierung bestehenden Gegenstandes, z. B. auf die Turbinenschaufel eines Gasturbinentriebwerks, aufgetragen wird, und die Erfindung bezieht sich weiter auf ein Verfahren zum Auftragen dieser Wärmedämmschicht.
- Die ständige Forderung nach erhöhten Arbeitstemperaturen bei Gasturbinentriebwerken wurde ursprünglich durch Luftkühlung der Turbinenschaufeln und die Entwicklung von Superlegierungen erfüllt, aus denen Turbinenlaufschaufeln und Turbinenleitschaufeln hergestellt wurden. Beide Maßnahmen verlängerten die Lebensdauer. Weitere Temperaturerhöhungen erforderten die Entwicklung von keramischen Überzugsmaterialien, mit denen die Turbinenlaufschaufeln und Turbinenleitschaufeln gegenüber der Hitze isoliert wurden, die in den Gasen enthalten war, welche aus den Brennkammern ausströmten. Hierdurch wurde wiederum die Lebensdauer der Turbinenlaufschaufeln und der Turbinenleitschaufeln verlängert. Jedoch war die Verlängerung der Lebensdauer begrenzt, weil die Keramikmaterialien an einer ungleichmäßigen Haftung am Superlegierungssubstrat litten. Ein Grund hierfür ist die Ungleichheit der thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen Superlegierungssubstrat und Keramiküberzug. Die Adhäsion der Überzugsschicht wurde durch Entwicklung verschiedener Typen von Aluminium enthaltenden Legierungs- Verbindungsüberzügen verbessert, die thermisch aufgesprüht oder auf andere Weise auf die Oberfläche des Superlegierungssubstrats aufgebracht wurden, bevor der Keramiküberzug aufgetragen wurde. Derartige Verbindungsüberzüge sind im typischen Fall von der sogenannten "Aluminide" (Diffusion) oder "MCrAlY"-Type, wobei M eines oder mehrere der folgenden Metalle angibt: Kobalt, Eisen und Nickel.
- Die Benutzung von Verbindungsüberzügen hat sich als erfolgreich im Hinblick auf eine Verhinderung extensiver Abblätterung der thermischen Wärmedämmschichten im Betrieb erwiesen, aber es tritt immer noch eine örtliche Abblätterung des Keramiküberzugs auf, wenn die Adhäsion zwischen dem Verbindungsüberzug und dem Keramiküberzug schlecht ist. Dadurch wird der Verbindungsüberzug der vollen Hitze der Brenngase ausgesetzt, und dies führt zu einem vorzeitigen Ausfall der Turbinenlaufschaufel oder der Turbinenleitschaufel.
- Die EP 0718420A beschreibt eine Mehrlagen-Wärmedämmschicht für ein Superlegierungssubstrat mit einer Superlegierungsschicht, angereichert mit einem Metall der Platingruppe und aufgetragen auf dem Superlegierungssubstrat, wobei dieser Mehrschichtenüberzug außerdem eine Oxidschicht auf der mit einem Metall der Platingruppe angereicherten Superlegierungsschicht und eine keramische Wärmedämmschicht auf der Oxidschicht aufwies. Die mit dem Metall der Platingruppe angereicherte Superlegierungsschicht weist eine mit einem Metall der Platingruppe angereicherte Gama-Phase und eine mit einem Metall der Platingruppe angereicherte Gamma-Primärphase auf.
- Die US 4477538 beschreibt eine Mehrlagenschicht für ein Superlegierungssubstrat auf, das eine Heißkorrosions-Festigkeit, eine Oxidationsfestigkeit und eine Beständigkeit gegen Schwefel besitzt und aus einer Unterschicht aus einem Metall der Platingruppe auf dem Superlegierungssubstrat, aus einer MCrAlY-Schicht auf der Unterschicht der Metallgruppe aus Platin und einer darüberliegenden Schicht aus einem Metall der Platingruppe aufweist, die auf die MCrAlY-Schicht aufgetragen ist.
- Die vorliegende Erfindung bezweckt die Schaffung eines neuartigen Verbindungsüberzugs für eine Wärmedämmschicht, wobei diese Verbindungsschicht weniger anfällig gegenüber örtlichen Fehlern und besser geeignet ist für eine langzeitige Adhäsion an einem Superlegierungssubstrat.
- Die vorliegende Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zum Auftragen einer Wärmedämmschicht auf einem Superlegierungssubstrat derart, daß eine verbesserte Adhäsion mit diesem Superlegierungssubstrat zustandekommt.
- Die Erfindung geht aus von einem Mehrschichten-Wärmedämmüberzug für ein Superlegierungssubstrat mit einem Verbindungsüberzug auf dem Superlegierungssubstrat, der einen Aluminium enthaltenden Legierungsüberzug, eine mit einem Metall der Platingruppe angereicherte Aluminium enthaltende Legierungsschicht und einen Überzug aus wenigstens einem Aluminid eines Metalls der Platingruppe enthält, wobei die Aluminium enthaltende Legierungsschicht über dem Superlegierungssubstrat liegt, die mit einem Metall der Platingruppe angereicherte Aluminium enthaltende Legierungsschicht über dem Aluminium enthaltenden Legierungsüberzug liegt, der Überzug aus wenigstens einem Aluminid eines Metalls der Platingruppe über der mit einem Metall der Platingruppe angereicherten Aluminium enthaltenden Legierungsschicht liegt, eine Oxidschicht auf dem Verbindungsüberzug liegt, die Oxidschicht über dem Überzug mit wenigstens einem Aluminid einem Metall der Platingruppe liegt und eine keramische Wärmedämmschicht auf der Oxidschicht liegt und ist dadurch gekennzeichnet, daß der Verbindungsüberzug eine mit einem Metall der Platingruppe angereicherte Superlegierungsschicht zwischen dem Superlegierungssubstrat und dem Aluminium enthaltenden Legierungsüberzug aufweist, und daß die mit einem Metall der Platingruppe angereicherte Superlegierungsschicht die Wanderung von Aluminium aus dem Aluminium enthaltenden Legierungsüberzug und der mit einem Metall der Platingruppe angereicherten Aluminium enthaltenden Legierungsschicht nach dem Superlegierungssubstrat reduziert, um die Langzeitadhäsion der keramischen Wärmedämmschicht zu verbessern.
- Ein Vorteil gegenüber bekannten Überzugsschichten dieser Art besteht darin, daß der Überzug von wenigstens einem Aluminid eines Metalls der Platingruppe die Erzeugung einer Oxidschicht ermöglicht, die wenigstens 70 vol.% Aluminiumoxid, vorzugsweise wenigstens 90 vol. % Aluminiumoxid und am besten 95 vol.% Aluminiumoxid enthält. Es wird angenommen, daß die vorliegende Erfindung die Erzeugung einer Oxidschicht ermöglicht, die Aluminiumoxid ohne andere Spinelle in Anteilen enthält, die ausreichen, um die Aluminiumoxid-Gitterstruktur aufzureißen. Es wird angenommen, daß die mit einem Metall der Platingruppe angereicherte Superlegierungsschicht auf dem Superlegierungssubstrat die Bewegung von Aluminium aus dem Aluminium enthaltenden Legierungsverbindungs-Überzug auf dem Superlegierungssubstrat vermindert und auch die Bewegung von beschädigenden Elementen aus dem Superlegierungssubstrat auf die Oxidschicht verringert. Es wird angenommen, daß durch Verminderung der Bewegung von Aluminium aus der Aluminium enthaltenden Legierung auf das Superlegierungssubstrat der Aluminiumpegel in dem das Aluminium enthaltenden Legierungsverbindungs-Überzug mit einem relativ hohen Pegel zurückgehalten wird, wodurch gewährleistet wird, daß Aluminiumoxid kontinuierlich unter der keramischen Wärmedämmschicht während längerer Zeitperioden gebildet wird. Es wird angenommen, daß der Überzug aus wenigstens einem Aluminid der Metalle der Platingruppe die Bewegung der schädlichen Elemente aus dem Superlegierungssubstrat und dem Aluminium enthaltenden Legierungsverbindungs- Überzug nach der Oxidschicht blockiert.
- Für die Zwecke der vorliegenden Erfindung wird ein Spinell definiert als ein Oxid mit der allgemeinen Formel M&sub2;O&sub3;, wobei M ein Übergangsmetall angibt.
- Um eine mit Platin angereicherte Superlegierungsschicht auf der Oberfläche eines Superlegierungssubstrats zu erzeugen, wird die Dicke der Platinschicht, wie sie vor der Diffusion aufgebracht wird, wenigstens 5 um oder zweckmäßigerweise 8 um dick aufgetragen.
- Die Diffusions-Wärmebehandlung wird vorzugsweise eine Stunde lang bei einer Temperatur im Bereich zwischen 800 und 1200ºC durchgeführt, und vorzugsweise bei einer Temperatur zwischen 1000 und 1100ºC je nach der Zusammensetzung des Superlegierungssubstrates.
- Der Aluminium enthaltende Legierungsverbindungs-Überzug kann ein Nickel- Aluminid oder ein Kobalt-Almunimid sein, aber es ist eine MCrAlY-Legierung zu bevorzugen, wobei M wenigstens eines der Metalle Ni, Co und Fe ist. Der Aluminiumgehalt des Verbindungsüberzugs hängt von der Art der Verbindungsüberzugs-Legierung ab, die für Zwecke der Erfindung ausgewählt wird, und diese enthält minimal ungefähr 5 Gew.-% für einen MCrAlY-
- Verbindungsüberzug und ein Maximum von etwa 40 Gew.-% für einen Aluminid- Verbindungsüberzug.
- Vorzugsweise ist in dem fertigen Gegenstand die äußere Schicht des Verbindungsüberzugs mit Platin angereichert, und in diesem Fall besteht der Aluminid-Oberflächenüberzug vorherrschend aus Platin-Aluminid.
- Es wird angenommen, daß ein solcher Platin-Aluminid-Oberflächenüberzug wenistens 25 Gew.-% Platin, vorzugsweise wenigstens 40 Gew.-% und optimal wenigstens 50 Gew.-% Platin enthält, in Verbindung mit Aluminiumpegeln von wenigstens 8 Gew.-%, vorzugsweise von wenigstens 10 Gew.-%.
- Um eine mit Platin angereicherte Aluminium enthaltende Legierungsschicht mit einem Aluminid-Oberflächenüberzug zu erzeugen, der vorherrschend Platin-Aluminid enthält, beträgt die Dicke der Schicht aus Platin, wie diese vor der Diffusion aufgebracht wird, vorzugsweise wenigstens 5 um und vorzugsweise 8 um.
- Die Diffusions-Wärmebehandlung wird vorzugsweise eine Stunde lang bei einer Temperatur zwischen 1000 und 1200ºC, vorzugsweise zwischen 1100 und 1200ºC durchgeführt, je nach der Zusammensetzung des Superlegierungssubstrats.
- Nachdem alle Diffusionsreste von der Oberfläche des platinisierten Aluminium- Legierungsverbindungs-Überzugs entfernt sind, erhält der Gegenstand seine dünne Haftschicht aus Oxid und seine keramische Wärmedämmschicht.
- Vorzugsweise beträgt die Dicke der Oxidschicht, die durch das obige Verfahren erzeugt wird, weniger als 1 um. Die dünne Haftschicht aus Oxid wird vorzugsweise durch Erhitzung des Aluminid-Überzugs mit dem Metall der Platingruppe in einer Sauerstoff enthaltenden Atmosphäre erzeugt.
- Vorzugsweise wird zur Erzeugung der dünnen Haftschicht die Benutzung einer physikalischen Elektronen-Dampfablagerung (EBPVD) benutzt, um die keramische Wärmedämmschicht aufzubringen. Gemäß dem bevorzugten EBPVD-Verfahren wird der Gegenstand auf eine Temperatur im Bereich zwischen 900 bis 1150ºC im Vakuum, beispielsweise bei einem Druck von etwa 10&supmin;&sup5; Torr, vorgeheizt. Eine bevorzugte Vorheiztemperatur liegt bei etwa 1000ºC.
- Das EBPVD-Überzugsverfahren für die keramische Wärmedämmschicht, welches durch Yttrium-Oxid stabilisiertes Zirkonoxid oder andere Keramikoxide benutzt, erfordert eine Verdampfung des Keramikmaterials durch den Elektronenstrahl und eine konsequente Freisetzung von Sauerstoff durch Dissoziierung des Keramikmaterials. Es ist weiter zweckmäßig, Sauerstoff freiwillig der Überzugskammer bei diesem Schritt zuzusetzen, um die stoichiometrische Reformation des Keramikmaterials auf dem zu überziehenden Gegenstand zu bewirken. Demgemäß ist bei dem bevorzugten Verfahren der Erfindung Sauerstoff unvermeidbar in der Atmosphäre der Überzugskammer während des Überziehens durch das EBPVD-Verfahren vorhanden und reagiert mit dem bevorzugten Platin- Aluminid-Oberflächenüberzug, wodurch die dünne Oxidhaftschicht erzeugt wird, welche vorstehend erwähnt wurde.
- Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen:
- Fig. 1 ist ein schematischer Teilschnitt durch einen metallischen Gegenstand mit einem darauf aufgebrachten bekannten Wärmedämmüberzug;
- Fig. 2 ist ein schematischer Teilschnitt durch einen metallischen Gegenstand, auf dem ein bekannter Wärmedämmüberzug aufgebracht ist, und
- Fig. 3 ist eine schematische Schnittansicht eines Metallgegenstandes mit einem erfindungsgemäßen Wärmedämmüberzug.
- Fig. 1 veranschaulicht den Stand der Technik. Hier ist ein aus einer Superlegierung bestehender Gegenstand 10 mit einem mehrschichtigen Wärmedämmüberzug versehen, der allgemein mit dem Bezugszeichen 12 gekennzeichnet ist. Dieser Überzug ist in der gerade fertig hergestellten Bedingung dargestellt. Der Wärmedämmüberzug 12 besteht aus einem MCrAlY-Legierungsverbindungs- Überzug 14, einer dünnen Oxidschicht 16 und einer keramischen Wärmedämmschicht 18 mit Säulenkornstruktur. Der MCrAlY-Legierungsverbindungs- Überzug 14 wird durch Plasmasprühen aufgebracht und wird einer Diffusions- Wärmebehandlung unterworfen. Der keramische Wärmedämmüberzug 18 mit Säulenstruktur besteht aus durch Yttriumoxid stabilisiertem Zirkonoxid oder anderen geeigneten Keramikmaterialien, die durch physikalische Elektroden- Dampfablagerung aufgebracht wurden. Die dünne Oxidschicht 16 besteht aus einer Mischung von Aluminiumoxid, Chromoxid und einem anderen Spinell.
- Fig. 2 veranschaulicht den Stand der Technik, wie er in unserer laufenden Patentanmeldung EP 0718419A beschrieben ist. Hier ist ein Teil eines Gegenstandes 20 aus einer Superlegierung dargestellt, der mit einem mehrlagigen Wärmedämmüberzug versehen ist, welcher allgemein mit dem Bezugszeichen 22 bezeichnet ist. Dieser Überzug ist in der gerade hergestellten Bedingung dargestellt. Der thermische Wärmedämmüberzug 22 besteht aus einem MCrAlY- Legierungsverbindungs-Überzug 24 aus einer mit Platin angereicherten MCrAlY- Legierungsschicht 26 auf dem MCrAlY-Legierungsverbindungsüberzug 24, einem Platin-Aluminid-Überzug 28 auf der mit Platin angereicherten MCrAlY- Legierungsschicht 26, einer mit Platin angereicherten Gamma-Phasenschicht 30 auf dem Platin-Aluminidüberzug 28, einer dünnen Oxidschicht 32 auf der mit Platin angereicherten Gamma-Phase 30 und einer keramischen Wärmedämmschicht 34 mit Säulenstruktur.
- Der MCrAlY-Legierungsverbindungsüberzug 24 wird durch Plasmaspritzen aufgebracht und einer Diffusions-Wärmebehandlung unterworfen. Der keramische Wärmedämmüberzug 34 mit Säulenstruktur besteht aus durch Zirkonoxid stabilisiertem Yttriumoxid oder anderen geeigneten Keramikmaterialien, die durch physikalische Elektronenstrahl-Dampfablagerung aufgebracht wurden. Die dünne Oxidschicht 32 besteht gänzlich oder fast nur aus Aluminiumoxid mit kleineren oder vernachlässigbaren Anteilen anderer Spinells. Die Dicke der Aluminiumoxidschicht 32 beträgt weniger als 1 um.
- Das Platin wird in einer Schicht im wesentlichen gleicher Dicke auf dem MCrAlY- Verbindungsüberzug durch Elektroplattierung oder andere geeignete Materialien aufgebracht, und die Dicke beträgt wenigstens 5 um und vorzugsweise etwa 8 um. Danach wird ein Diffusions-Wärmebehandlungsschritt durchgeführt, um zu bewirken, daß die Platinschicht in den MCrAlY-Legierungsverbindungs-Überzug diffundiert. Dies bildet die mit Platin angereicherte MCrAlY-Legierungsschicht und den Platin- Aluminid-Überzug. Durch Erhitzung des Gegenstandes auf eine Temperatur im Bereich zwischen 1000 und 1200ºC und Halten der Temperatur während einer beträchtlichen Zeitdauer, insbesondere bei einer Temperatur von 1150ºC während einer Stunde lang, wird ein geeigneter Diffusions-Wärmebehandlungszyklus durchgeführt.
- Nach der Wärmebehandlung wird die Oberfläche mit trockenem Aluminiumpulver bestrahlt, um alle Diffusionsreste zu entfernen. Dann wird die keramische Wärmedämmschicht mit EBPVD behandelt, um eine dünne Oxidschicht auf dem Platin-Aluminid-Überzug zu erzeugen, und zwar mit einer durch Platin angereicherten Gamma-Phasenschicht dazwischen.
- Die unter Bezugnahme auf Fig. 1 beschriebene Wärmedämmschicht 12 und die unter Bezugnahme auf Fig. 2 beschriebene Wärmedämmschicht 22 wurden einem Test unterworfen. Es zeigte sich, daß die Wärmedämmschicht 12 eine kritische Belastungsgrenze besitzt und beim Überschreiten dieser Grenze das Keramikmaterial aus dem Verbindungsüberzug ausbricht. Diese Grenze liegt bei etwa 55 Newton bei einem neu gefertigen Gegenstand und bei etwa 5 Newton nach einer Alterung von 1150ºC während 100 Stunden. Es hat sich auch gezeigt, daß der Wärmedämmüberzug 22 eine kritische Belastung hat und beim Überschreiten dieser kritischen Belastung das Keramikmaterial aus dem Verbindungsüberzug ausbricht, und diese kritische Belastung liegt im neu hergestellten Zustand bei etwa 100 Newton und beträgt etwa 50 Newton nach einer Alterung bei 1150ºC während 100 Stunden (vergleiche EP 0718419 A).
- Es kann gezeigt werden, daß der Wärmedämmüberzug 22 gemäß Fig. 2 eine beträchtliche Verbesserung in bezug auf die langzeitige Haftung gegenüber dem Wärmedämmüberzug gemäß Fig. 1 hat.
- Der Wärmedämmüberzug 22 gemäß Fig. 2 besitzt einen kontinuierlichen Platin- Aluminid-Überzug 28, der, wie man glaubt, die Bewegung von Übergangs- Metallelementen wie beispielsweise Titan, Tantal und Hafnium aus dem MCrAlY- Verbindungsüberzug 24 und dem Superlegierungssubstrat 20 nach der Oxidschicht 32 blockiert und gewährleistet, daß die gebildete Oxidschicht sehr reines Aluminiumoxid ist.
- Leider hat es sich gezeigt, daß die langzeitige Adhäsion des Wärmedämmüberzugs 22 dann durch Verlust von Aluminium aus dem MCrAlY-Legierungsverbindungs- Überzug 24 und aus der mit Platin angereicherten MCrAlY-Legierungsschicht 26 nach dem Superlegierungssubstrat 20 diktiert wird. Es wird angenommen, daß im fortgesetzten Betrieb des Wärmedämmüberzugs 22 bei hohen Temperaturen während langer Perioden das Aluminium in der MCrAlY-Legierung in das Superlegierungssubstrat 20 hinein diffundiert. Das Aluminiumoxid in der Oxidschicht 32 wird kontinuierlich aufgebraucht und durch Aluminiumoxid ersetzt, das durch Oxidation von Aluminium erzeugt wird, das von dem Platin-Aluminid-Überzug 28, der mit Platin angereicherten MCrAlY-Schicht und dem MCrAlY- Legierungsverbindungs-Überzug 26 nach dem Interface mit der keramischen Wärmedämmschicht 34 diffundiert. Demgemäß nimmt man an, daß der Verlust von Aluminium aus dem MCrAlY-Legierungsverbindungs-Überzug 26 und der mit Platin angereicherten MCrAlY-Legierungsschicht 28 nach dem Superlegierungssubstrat den Aluminiumpegel reduziert, der zur Erzeugung von Aluminiumoxid in der Oxidschicht 32 verfügbar ist, und es wird der Pegel vermindert, der erforderlich ist, um die Bildung aufrechtzuerhalten, um das im Betrieb aufgebrauchte Aluminiumoxid zu ersetzen.
- Fig. 3 veranschaulicht die vorliegende Erfindung. Hier ist ein Teil eines Superlegierungsgegenstandes 40 dargestellt, der mit einem mehrschichtigen Wärmedämmüberzug versehen ist, der allgemein mit dem Bezugszeichen 42 versehen ist. Die Zeichnung zeigt den gerade hergestellten Zustand. Der Wärmedämmüberzug 42 besteht aus einer mit Platin angereicherten Schicht 44, die aus mit Platin angereicherten Gamma-Phasen und mit Platin angereicherten Gamma-Primärphasen an der Oberfläche des Superlegierungssubstrates besteht. Auf der Schicht 44 befindet sich ein MCrAlY-Legierungsverbindungs-Überzug 46, und auf dieser MCrAlY-Legierungsverbindungs-Überzugsschicht befindet sich eine mit Platin angereicherte MCrAlY-Legierungsschicht 48. Auf dieser mit Platin angereicherten MCrAlY-Legierungsschicht befindet sich ein Platin-Aluminid-Überzug 50, und auf diesem Platin-Aluminid-Überzug 50 ist eine mit Platin angereicherte Gamma-Phasenschicht 52 aufgebracht. Eine dünne Oxidschicht 54 ist auf die mit Platin angereicherte Gamma-Phase 52 aufgebracht und auf dieser eine keramische Wärmedämmschicht 56 mit Säulenstruktur. Der Platin-Aluminid-Überzug 50 ist eine spezielle Form des Platin-Aluminids und hat eine Zusammensetzung beispielsweise aus: 53 Gew.-% Pt, 19,5 Gew.-% Ni, 12 Gew.-% Al, 8,7 Gew.-% Co, 4,9 Gew.-% Cr, 0,9 Gew.-% Zr, 0,6 Gew.-% Ta, 0,1 Gew.-% O und 0,04 Gew.-% Ti, wie dies weiter im einzelnen in der EP 0718419 A beschrieben ist.
- Das Platin wird mit einer im wesentlichen gleichförmigen Dicke auf dem Superlegierungssubstrat durch Elektroplattierung oder andere geeignete Verfahren aufgebracht, wobei die Dicke wenigstens 5 um und vorzugsweise etwa 8 um beträgt. Danach wird ein Diffusions-Wärmebehandlungsschritt durchgeführt, um die Platinschicht zu veranlassen, in das Superlegierungssubstrat zu diffundieren. Dadurch wird die mit Platin angereicherte Gamma-Schicht und die mit Platin angereicherte Gamma-Primärschicht auf dem Superlegierungssubstrat gebildet. Eine Diffusion wird erreicht durch Erhitzung des Gegenstandes auf eine Temperatur im Bereich zwischen 800ºC und 1200ºC und indem diese Temperatur während einer geeigneten Zeitperiode aufrechterhalten wird, wobei insbesondere eine Temperatur von 1000ºC eine Stunde lang durchgeführt wird, um einen geeigneten Diffusions- Wärmebehandlungszyklus durchzuführen, weil weitere Wärmebehandlungszyklen die mit Platin angereicherte Gamma-Schicht und die mit Platin angereicherte Gamma-Primärschicht diffundieren.
- Der MCrAlY-Legierungsverbindungs-Überzug 46 wird durch Plasmaspritzen aufgebracht und einer Diffusions-Wärmebehandlung unterworfen. Der keramische Wärmedämmüberzug 56 mit Säulenstruktur besteht aus Yttriumoxid, stabilisiertem Zirkonoxid oder anderen geeigneten Keramikmaterialien, die durch physikalische Elektronenstrahl-Dampfablagerung aufgebracht werden. Die dünne Oxidschicht 54 besteht insgesamt oder fast insgesamt aus Aluminiumoxid mit kleineren oder vernachlässigbaren Anteilen anderer Spinells. Die Dicke der Aliminiumoxidschicht 54 beträgt weniger als 1 um.
- Das Platin wird in einer im wesentlichen gleichförmigen Dicke auf dem MCrAlY- Verbindungs-Überzug durch Elektroplattierung oder andere geeignete Verfahren aufgetragen, wobei die Dicke wenigstens 5 um und vorzugsweise etwa 8 um beträgt. Danach wird ein Diffusions-Wärmebehandlungsschritt durchgeführt, um die Platinschicht zu veranlassen, in den MCrAlY-Legierungsverbindungs-Überzug hinein zu diffundieren. Hierdurch wird die mit Platin angereicherte MCrAlY- Legierungsschicht und der Platin-Aluminid-Überzug gebildet. Eine Diffusion wird durch Erwärmung des Gegenstandes auf eine Temperatur im Bereich zwischen 1000ºC und 1200ºC und dadurch erreicht, daß der Gegenstand für eine geeignete Zeitdauer auf dieser Temperatur gehalten wird. Vorzugsweise wird der Gegenstand auf eine Temperatur im Bereich zwischen 1100ºC und 1200ºC erwärmt, und insbesondere auf eine Temperatur von 1150ºC, und diese Temperatur wird eine Stunde lang gehalten und ist geeignet zur Durchführung des Diffusions- Wärmebehandlungszyklus.
- Nach der Wärmebehandlung wird die Oberfläche mit trockenem Aluminiumpulver bestrahlt, um alle Diffusionsreste zu entfernen. Dann wird der keramische Wärmedämmüberzug durch EBPVD aufgetragen, um die dünne Oxidschicht auf dem Platin-Aluminid-Überzug mit einer mit Platin angereicherten Gamma-Schicht dazwischen zu erzeugen.
- Die mit Platin angereicherte Schicht 44 besteht aus mit Platin angereicherten Gamma-Phasen und mit Platin angereicherten Gamma-Primärphasen, und es wird eine Schicht erzeugt, die die Bewegung von Aluminium aus dem MCrAlY- Legierungsverbindungs-Überzug 46 und der mit Platin angereicherten MCrAlY- Legierungsschicht 48 nach dem Superlegierungssubstrat reduziert, um den Aluminiumgehalt in dem MCrAlY-Legierungsverbindungs-Überzug 46 und der mit Platin angereicherten MCrAlY-Legierungsschicht 48 über längere Zeitperioden aufrechtzuerhalten, um dadurch weiter die langzeitige Adhäsion der Wärmedämmschicht zu verbessern. Ein weiterer Vorteil der mit Platin angereicherten Schicht 44 besteht darin, daß hierdurch die Übertragung von Übergangs-Metallelementen aus dem Superlegierungssubstrat nach der Oxidschicht 54 reduziert wird und ein zusätzlicher Schutz gegen schädliche Übergangs- Metallelemente, z. B. Titan, Tantal und Hafnium für die Oxidschicht 54 geschaffen wird, um eine hochreine Aluminiumoxidschicht 54 aufrechtzuerhalten.
- Die MCrAlY-Schicht wird vorzugsweise durch Vakuum-Plasmaspritzen aufgebracht, obgleich auch andere geeignete Verfahren, beispielsweise eine physikalische Dampfablagerung, benutzt werden können. Wenn ein Vakuum-Plasmaspritz- Verfahren benutzt wird, dann kann der MCrAlY-Überzug poliert werden, um die Adhäsion der keramischen Wärmedämmschicht zu verbessern.
- Das Platin kann durch Zerstäubung, durch Packdiffusion, durch "out-of-pack"- Diffusion, durch chemische Dampfablagerung oder physikalische Dampfablagerung aufgetragen werden. Andere Metalle der Platingruppe, beispielsweise Palladium, Rhodium usw., können anstelle von Platin benutzt werden, jedoch ist Platin zu bevorzugen.
- Es kann möglich sein, den keramischen Wärmedämmüberzug durch Plasmazerstäubung, durch Vakuum-Plasmazerstäubung, durch chemische Dampfablagerung, durch chemische Verbrennungs-Verdampfung oder vorzugsweise durch physikalische Dampfablagerung aufzutragen. Die physikalischen Dampfablagerungs-Verfahren umfassen eine Zerstäubung, aber es ist eine physikalische elektronische Dampfstrahlablagerung zu bevorzugen.
- Andere Aluminium enthaltende Legierungsverbindungs-Überzüge können anstelle von MCrAlY benutzt werden, beispielsweise Kobalt-Aluminid oder Nickel-Aluminid.
- Der Wärmedämmüberzug kann auf die gesamte Oberfläche des Gegenstandes aufgetragen werden oder auf vorbestimmte Bereiche der Oberfläche des Gegenstandes, um einen thermischen Schutz für den Gegenstand zu erhalten. Beispielsweise kann die gesamte Oberfläche des Arbeitsteils einer Gasturbinen- Laufschaufel mit einem Wärmedämmüberzug versehen werden, oder stattdessen kann auch nur die Vorderkante des Arbeitsprofils der Gasturbinen-Laufschaufel auf diese Weise überzogen werden.
Claims (26)
1. Mehrschichten-Wärmedämmüberzug (42) für ein Superlegierungssubstrat
(40) mit einem Verbindungsüberzug auf dem Superlegierungssubstrat (40), der
einen Aluminium enthaltenden Legierungsüberzug (46), eine mit einem Metall der
Platingruppe angereicherte Aluminium enthaltende Legierungsschicht (48) und einen
Überzug (50) aus wenigstens einem Aluminid eines Metalls der Platingruppe enthält,
wobei die Aluminium enthaltende Legierungsschicht (46) über dem
Superlegierungssubstrat (40) liegt, die mit einem Metall der Platingruppe
angereicherte Aluminium enthaltende Legierungsschicht (48) über dem Aluminium
enthaltenden Legierungsüberzug (46) liegt, der Überzug (50) aus wenigstens einem
Aluminid eines Metalls der Platingruppe über der mit einem Metall der Platingruppe
angereicherten Aluminium enthaltenden Legierungsschicht (48) liegt, eine
Oxidschicht (54) auf dem Verbindungsüberzug liegt, die Oxidschicht (54) über dem
Überzug (50) mit wenigstens einem Aluminid einem Metall der Platingruppe liegt
und eine keramische Wärmedämmschicht (56) auf der Oxidschicht (54) liegt,
dadurch gekennzeichnet, daß der Verbindungsüberzug eine mit einem Metall der
Platingruppe angereicherte Superlegierungsschicht (44) zwischen dem
Superlegierungssubstrat und dem Aluminium enthaltenden Legierungsüberzug (46)
aufweist, und daß die mit einem Metall der Platingruppe angereicherte
Superlegierungsschicht (44) die Wanderung von Aluminium aus dem Aluminium
enthaltenden Legierungsüberzug (46) und der mit einem Metall der Platingruppe
angereicherten Aluminium enthaltenden Legierungsschicht (48) nach dem
Superlegierungssubstrat (40) reduziert, um die Langzeitadhäsion der keramischen
Wärmedämmschicht (56) zu verbessern.
2. Wärmedämmüberzug nach Anspruch 1, bei welchem der Aluminiumgehalt
des Aluminium enthaltenden Legierungsverbindungs-Überzugs (46) in einem
Bereich zwischen 5 Gew.-% und 40 Gew.-% liegt.
3. Wärmedämmüberzug nach Anspruch 1, bei welchem der Aluminium
enthaltende Legierungsverbindungs-Überzug (46) ein Nickel-Aluminid oder ein
Kobalt-Aluminid enthält.
4. Wärmedämmüberzug nach Anspruch 1, bei welchem der Aluminium
enthaltende Legierungsverbindungs-Überzug (46) eine MCrAlY-Legierung enthält,
wobei M wenigstens eines der Metalle Ni, Co und Fe ist.
5. Wärmedämmüberzug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei
welchem die mit einem Metall der Platingruppe angereicherte Aluminium
enthaltende Legierungsschicht (48) mit Platin angereichert ist und der Überzug (50)
mit wenigstens einem Aluminid eines Metalls der Platingruppe vorherrschend aus
Platin-Aluminid besteht.
6. Wärmedämmüberzug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei
welchem die mit einem Metall der Platingruppe angereicherte Aluminium
enthaltende Superlegierungsschicht (44) mit Platin angereichert ist.
7. Wärmedämmüberzug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei
die Oxidschicht (54) wenigstens 90 vol. % Aluminiumoxid enthält.
8. Wärmedämmüberzug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei
welchem die keramische Wärmedämmschicht (56) mit Yttriumoxid stabilisiertes
Zirkonoxid enthält.
9. Wärmedämmüberzug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei
welchem die keramische Wärmedämmschicht (56) eine Säulenstruktur aufweist.
10. Wärmedämmüberzug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei
welchem das Superlegierungssubstrat (40) eine auf Nickel basierende
Superlegierung oder eine auf Kobalt basierende Superlegierung ist.
11. Wärmedämmüberzug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei
welchem eine mit einem Metall der Platingruppe angereicherte Gamma-
Phasenschicht (52) zwischen dem Überzug (50) mit wenigstens einem Aluminid
eines Metalls der Platingruppe und der Oxidschicht (54) liegt.
12. Verfahren zum Auftragen eines Mehrschichten-Wärmedämmüberzugs (42)
auf ein Superlegierungssubstrat (40) mit den folgenden Schritten:
es wird eine Schicht aus einem Metall der Platingruppe auf das
Superlegierungssubstrat (40) aufgetragen;
das Superlegierungssubstrat (40) wird einer Wärmebehandlung unterworfen,
damit das Metall der Platingruppe in das Superlegierungssubstrat (40) diffundieren
kann, um eine mit einem Metall der Platingruppe angereicherte
Superlegierungsschicht (42) auf der Oberfläche des Superlegierungssubstrats (40)
zu bilden;
es wird ein Aluminium enthaltender Legierungsverbindungs-Überzug (46) auf
die mit einem Metall der Platingruppe angereicherte Superlegierungsschicht (42)
aufgetragen;
es wird eine Schicht aus einem Metall der Platingruppe auf den Aluminium
enthaltenden Legierungsverbindungs-Überzug (46) aufgetragen;
das Superlegierungssubstrat (40) wird einer Wärmebehandlung unterworfen,
damit das Metall der Platingruppe in den Aluminium enthaltenden
Legierungsverbindungs-Überzug (46) diffundieren kann, um eine mit einem Metall
der Platingruppe angereicherte Aluminium enthaltende Legierungsschicht (48) und
einen Überzug (50) aus wenigstens einem Aluminid der Metalle der Platingruppe zu
bilden;
es wird eine Oxidschicht (52) auf dem Überzug (50) mit wenigstens einem
Aluminid eines Metalls der Platingruppe aufgetragen, und
es wird eine keramische Wärmedämmschicht (56) auf die Oxidschicht (54)
aufgetragen.
13. Verfahren nach Anspruch 12, bei welchem der Aluminium enthaltende
Legierungsverbindungs-Überzug (46) ein Nickel-Aluminid oder ein Kobalt-Aluminid
enthält.
14. Verfahren nach Anspruch 12, bei welchem der Aluminium enthaltende
Legierungsverbindungs-Überzug (46) aus einer MCrAlY-Legierung besteht, wobei
M wenigstens eines der Metalle Ni, Co und Fe ist.
15. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, bei welchem die Schicht aus einem
Metall der Platingruppe auf das Superlegierungssubstrat (40) durch einen
Elektroplattierungs-Prozeß aufgetragen wird.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, bei welchem die Schicht
aus einem Metall der Platingruppe auf dem Aluminium enthaltenden
Legierungsverbindungs-Überzug (46) durch einen Elektroplattierungs-Prozeß
aufgetragen wird.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 16, bei welchem die Dicke der
Schicht aus einem Metall der Platingruppe, welche auf das Superlegierungssubstrat
(40) aufgetragen wird, vor dem Diffusionsverfahren wenigstens 5 um beträgt.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 17, bei welchem die Dicke der
Schicht aus einem Metall der Platingruppe, welches auf den Aluminium
enthaltenden Legierungsverbindungs-Überzug (46) aufgetragen wird, vor der
Diffusion wenigstens 5 um beträgt.
19. Verfahren nach den Ansprüchen 17 oder 18, bei weichem die Dicke des
Metalls der Platingruppe 8 um beträgt.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 19, bei welchem das Metall der
Platingruppe Platin ist.
21. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 20, bei welchem die
Wärmebehandlung des Superlegierungssubstrats (40), bei der das Metall der
Platingruppe in das Superlegierungssubstrat (40) diffundiert, um eine mit einem
Metall der Platingruppe angereicherte Superlegierungsschicht (44) auf der
Oberfläche des Superlegierungssubstrats (40) zu bilden, etwa eine Stunde lang bei
einer Temperatur im Bereich zwischen 800 und 1200ºC durchgeführt wird, in
Abhängigkeit von der Lösungs-Behandlungstemperatur, die für das
Superlegierungssubstrat (40) geeignet ist.
22. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 21, bei welchem die
Wärmebehandlung des Superlegierungssubstrats, mit dem das Metall der
Platingruppe in den Aluminium enthaltenden Legierungsverbindungs-Überzug (46)
diffundiert, um eine mit einem Metall der Platingruppe angereicherte Aluminium
enthaltende Legierungsschicht (48) und einen Überzug (50) aus wenigstens einem
Aluminid des Metalls der Platingruppe zu bilden, etwa eine Stunde lang bei einer
Temperatur durchgeführt wird, die im Bereich zwischen 1000 und 1200ºC liegt, in
Abhängigkeit von der Lösungs-Behandlungstemperatur, die für das betreffende
Superlegierungssubstrat (40) geeignet ist.
23. Verfahren nach Anspruch 21, bei welchem die Diffusions-Wärmebehandlung
bei einer Temperatur im Bereich zwischen 1000 und 1100ºC durchgeführt wird.
24. Verfahren nach Anspruch 22, bei welchem die Diffusions-Wärmebehandlung
bei einer Temperatur im Bereich zwischen 1100ºC und 1200ºC durchgeführt wird.
25. Verfahren nach Anspruch 12, bei welchem der MCrAlY-Legierungsüberzug
(46) durch Vakuum-Plasmazerstäubung aufgebracht wird und der MCrAlY-
Legierungsüberzug anschließend poliert und gehämmert wird.
26. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 25, bei welchem die thermische
Wärmedämmschicht (56) durch physikalische Elektrodenstrahl-Dampfablagerung
aufgetragen wird.
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