DE69821480T2

DE69821480T2 - Wärmedämmendes Beschichtungssystem

Info

Publication number: DE69821480T2
Application number: DE69821480T
Authority: DE
Inventors: Robert William Loveland Bruce; David John Hamilton Wortman; Rudolfo Cincinnati Viguie; David William Burnt Hills Skelly
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1998-09-18
Filing date: 1998-09-18
Publication date: 2004-11-25
Anticipated expiration: 2018-09-19
Also published as: DE69821480D1; EP0987345B1; EP0987345A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Schutzüberzüge für Komponenten, die hohen Temperaturen ausgesetzt sind, wie beispielsweise Komponenten von einem Gasturbinentriebwerk. Insbesondere ist die Erfindung auf ein thermisches Trennüberzugssystem gerichtet, das eine thermisch isolierende Keramikschicht aufweist, deren Zusammensetzung und Abscheidungstechnik die Ablätterbeständigkeit von dem Überzugssystem signifikant verbessert.
Die Betriebsumgebung in einem Gasturbinentriebwerk ist sowohl thermisch als auch chemisch feindlich. Signifikante Fortschritte mit Hochtemperaturlegierungen sind durch die Bildung von Eisen-, Nickel- und Kobaltbasis-Superlegierungen erzielt worden, obwohl Komponenten, die aus diesen Legierungen gebildet sind, häufig keinen langen Betriebszeiten widerstehen können, wenn sie in gewissen Abschnitten von einem Gasturbinentriebwerk angeordnet sind, wie beispielsweise der Turbine, dem Brenner oder Nachbrenner. Eine übliche Lösung besteht darin, die Oberflächen dieser Komponenten mit einem Umgebungsüberzugssystem zu schützen, wie beispielsweise einem Aluminid-Überzug oder einem thermischen Trennüberzugssystem. Das letztgenannte enthält einen umgebungsbeständigen Bindungsüberzug und eine Schicht eines thermischen Trennüberzugs (TBC von Thermal Barrier Coating) aus Keramik, der auf den Bindungsüberzug aufgebracht ist. Bindungsüberzüge werden üblicherweise aus einer oxidationsbeständigen Legierung gebildet, wie beispielsweise MCrAIY, wobei M Eisen, Kobalt und/oder Nickel ist oder aus einem Diffusionsaluminid oder Platinaluminid, das eine oxidationsbeständige intermetallische Verbindung bildet. Bei hohen Temperaturausschlägen bilden diese Bindungsüberzüge eine Oxidschicht oder Kruste, die die Keramikschicht chemisch mit dem Bindungsüberzug bindet.
Zirconoxid (ZrO₂), das teilweise oder vollständig durch Yttriumoxid (Y₂O₃) stabilisiert ist, Magnesiumoxid (MgO) oder andere Oxide sind als das Material für die Keramikschicht verwendet worden. Yttriumoxid-stabilisiertes Zirconoxid (YSZ) wird weit verbreitet genutzt als die Keramikschicht für TBCs, weil es erwünschte thermische Langzeit-Ermüdungseigenschaften aufweist. Zusätzlich kann YSZ auf einfache Weise durch Luftplasmasprühen (APS), Niederdruck-Plasmasprühen (LPPS) und physikalische Dampfabscheidungs (PVD)-Techniken, wie beispielsweise physikali sche Elektronenstrahl Dampfabscheidung (EBPVD von Elektron Beam Physical Vapor Deposition) abgeschieden werden. Es sei darauf hingewiesen, daß YSZ, das durch EBPVD abgeschieden ist, durch eine spannungstolerante säulenförmige Konstruktur charakterisiert ist, die es dem Substrat ermöglicht, zu expandieren und zu kontraktieren, ohne beschädigende Spannungen zu verursachen, die zum Abblättern führen.
Bekanntlich hemmt eine Stabilisierung, daß Zirconoxid eine Phasentransformation (tetragonal nach monoklin) bei etwa 1000°C durchläuft, die anderenfalls eine nachteilige Volumenexpansion zur Folge haben würde. In 3 ist das Phasendiagramm von dem Zirconoxid-reichen Bereich des Zirconoxid-Yttriumoxid-Systems gezeigt. Das Phasendiagramm zeigt, daß bei Raumtemperatur eine stabilere tetragonale Phase erhalten wird und die unerwünschte monokline Phase vermieden wird, wenn Zirconoxid durch wenigstens etwa 6 Gewichtsprozent Yttriumoxid stabilisiert ist. Das Phasendiagramm zeigt ferner, daß ein Gehalt an Yttriumoxid von siebzehn Gewichtsprozent oder mehr eine vollständig stabile kubische Phase sicherstellt. Eine Prüfung, die von S. Stecura „Effect of compositional changes on the Performance of a therminal barrier Coating System", NASA Technical Memorandum 78976 (1976) berichtet ist, zeigte, daß Plasma-gesprühte YSZ Überzüge, die sechs bis acht Gewichtsprozent Yttriumoxid enthalten, besser anhaften und widerstandsfähiger sind gegenüber Hochtemperaturänderungen als YSZ Überzüge, die größere und kleinere Mengen von Yttriumoxid enthalten. Die übliche Praxis in der Technik hat darin bestanden, Zirconoxid mit wenigstens sechs Gewichtsprozent Yttriumoxid und noch üblicher mit sechs bis acht Gewichtsprozent Yttriumoxid (6–8% YSZ) zu stabilisieren. Ausnahmen von diesem Trend waren im allgemeinen auf Plasma-gesprühtes Zirconoxid beschränkt, das durch eine Kombination von Oxiden stabiliert ist, wie beispielsweise Yttriumoxid mit wesentlichen Mengen von anderen Oxiden, wie es in den US-Patenten 4,132,916 und 4,996,117 gelehrt ist.
DE 197 41 961 beschreibt einen Überzug unter Verwendung von zwischen 3,0 und 12,0 Gewichtsprozent des stabilisierenden Metalloxides, wobei eine PVD Abscheidung mit hohler Kathode verwendet wird.
Obwohl thermische Trennüberzüge, die Zirconoxid, stabilisiert durch 6–8% Yttriumoxid, in Gasturbinentriebwerks-Anwendungen gut arbeiten und signifikante Fortschritte mit Bindungsüberzugsmaterialien und Überzugsverfahren gemacht worden sind, die die Anhaftung, Umweltbeständigkeit und Dauerhaftigkeit der YSZ Überzugssysteme weiter fördern, sind noch größere Verbesserungen erwünscht für noch anspruchsvollere Anwendungen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine thermisch isolierende Keramikschicht zur Verwendung in einem thermischen Trennüberzugssystem auf einer Komponente bereitgestellt, die zur Verwendung in einer feindlichen thermischen Umgebung ausgestaltet ist, wie beispielsweise Turbinen-, Brenner- und Nachbrenner- Komponenten von einem Gasturbinentriebwerk. Die Keramikschicht ist insbesondere geeignet für Anwendungen, in denen Temperaturen von mehr als 2000°F (etwa 1100°C) auftreten und schwere zyklische thermische Ermüdungsbeanspruchungen hervorrufen. Das Material der Keramikschicht ist kompatibel mit bekannten metallischen Bindungsüberzügen, wie beispielsweise Difusions-Aluminiden und MCrAIY und NiAl-Überzügen zwischen der Oberfläche von der Komponente und der Keramikschicht.
Genauer gesagt, wird eine thermisch isolierende Keramikschicht, die gemäß der Erfindung gebildet ist, aus Zirconoxid gebildet, das teilweise durch Yttriumoxid stabilisiert und durch eine säulenförmige Kornstruktur charakterisiert ist, in der eine monokline Phase bei Raumtemperatur vorhanden ist. Um die monokline Phase zu erhalten, enthält die Keramikschicht weniger als sechs Gewichtsprozent Yttriumoxid, vorzugsweise etwa ein bis sechs Gewichtsprozent Yttriumoxid. Die thermisch isolierende Keramikschicht ist Teil von einem thermischen Trennüberzugssystem, das ein Substrat und einen Bindungsüberzug enthält, der die Keramikschicht an dem Substrat anhaften läßt. Um die gewünschte säulenförmige Kornstruktur zu erhalten, wird die Keramikschicht durch eine EBPVD Technik abgeschieden.
TBC Systeme mit der Keramikschicht gemäß der Erfindung haben überraschendenrweise gezeigt, daß sie eine überlegene Abblätterbeständigkeit aufweisen, wenn sie mit üblichen YSZ Überzügen verglichen werden, die sechs Gewichtsprozent Yttriumoxid oder mehr enthalten. Es ist wichtig, daß bekannte Keramikschicht materialien für TBC Systeme Zirconoxid, das durch weniger als sechs Gewichtsprozent Yttriumoxid stabilisiert sind, vermieden haben, weil diese Materialien eine Phasentransformation durchlaufen, die das Abblättern der Keramikschicht fördert. Gemäß der Erfindung wurde jedoch gefunden, daß YSZ, das Yttriumoxid-Werte unter sechs Gewichtsprozent enthalten, eine überlegene Abblätterbeständigkeit aufweisen, wenn die Keramikschicht in geeigneter Weise durch EBPVD abgeschieden wird.
Andere Aufgaben und Vorteile der Erfindung werden besser verständlich aus der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen, in denen:
1 eine perspektivische Ansicht von einer Hochdruck-Turbinenschaufel ist;
2 eine Querschnittsansicht von der Schaufel gemäß 1 entlang der Linie 2-2 ist und ein thermisches Trennüberzugssystem zeigt, das eine Keramikschicht gemäß der Erfindung enthält, und
3 ein Phasendiagramm von dem Zirconoxid-reichen Bereich von dem Zirconoxid-Yttriumoxid-System ist.
Die Erfindung ist allgemein anwendbar auf Komponenten, die gegenüber einer thermisch und chemisch feindlichen Umgebung durch ein thermisches Trennüberzugssystem geschützt ist. Bemerkenswerte Beispiele von derartigen Komponenten umfassen Hoch- und Niederdruck-Turbinendüsen und -schaufeln, Mäntel, Brennerauskleidungen und Nachbrenner-Hardware von Gasturbinentriebwerken. Zwar sind die Vorteile der Erfindung insbesondere auf Komponenten von Gasturbinentriebwerken anwendbar, aber die Lehren der Erfindung sind allgemein anwendbar auf jede Komponente, auf der ein Überzug benutzt werden kann, um die Komponente thermisch von ihrer Umgebung zu isolieren.
Ein Beispiel von einer Hochdruck-Trubinenschaufel 10 ist in 1 gezeigt. Die Schaufel 10 hat einen stromlinienförmigen Abschnitt 12 und eine Plattform 16, gegen die während des Betriebs des Gasturbinentriebwerks heiße Verbrennungsgase gerichtet werden und deren Oberflächen deshalb einem harten Angriff durch Oxidation, Korrosion und Erosion ausgesetzt sind. Der stromlinienförmige Abschnitt 12 ist an einer Turbinenscheibe (nicht gezeigt) mit einem Schwalbenschwanz 14 verankert, der auf einem Fußabschnitt der Schaufel 10 ausgebildet ist. In dem stromlinienfömigen Abschnitt 12 sind Kühllöcher 18 vorhanden, durch die Abzapfluft hindurch geführt wird, um Wärme von der Schaufel 10 abzuführen.
In 2 ist ein thermisches Trennüberzugssytem 20 gemäß der Erfindung dargestellt. Wie gezeigt ist, enthält das Überzugssystem 20 eine thermisch isolierende Keramikschicht 26 auf einem Bindeüberzug 24, der über einem Substrat 22 liegt, wobei das letztere üblicherweise das Basismaterial der Schaufel 10 ist. Geeignete Materialien für das Substrat 22 (und deshalb die Schaufel 10) umfassen Nickel- und Kobaltbasis-Superlegierungen, obwohl es vorhersehbar ist, daß auch andere Materialien verwendet werden könnten. Wie es für thermische Trennüberzugssysteme für Komponenten von Gasturbinentriebwerken typisch ist, ist der Bindungsüberzug 24 ein Aluminium-reiches Material, wie beispielsweise ein Diffusions-Aluminid oder ein MCrAlY- oder NiAl-Überzug. Diese Zusammensetzungen des Bindungsüberzuges sind oxidationsbeständig und bilden eine Aluminiumoxid (AL₂O₃)-Schicht oder Kruste 28 auf ihren Oberflächen während einer Aussetzung gegenüber erhöhten Temperaturen. Die Aluminiumoxid-Kruste 28 schützt das darunter liegende Superlegierungssubstrat 23 gegenüber Oxidation und bildet eine Oberfläche, an der die Keramikschicht 26 zäh anhaftet.
Gemäß der Erfindung ist das Material für die Keramikschicht 26 Zirconoxid, das mit weniger als sechs Gewichtsprozent Yttriumoxid teilweise stabilisiert ist, wobei ein geeigneter Bereich etwa ein bis zu sechs Gewichtsprozent Yttriumoxid beträgt und ein mehr bevorzugter Bereich etwa zwei bis etwa fünf Gewichtsprozent Yttriumoxid beträgt. Zusätzlich ist die Keramikschicht 26 durch eine spannungstolerante säulenförmige Kornstruktur charakterisiert, wie sie in 2 dargestellt ist. Die säulenförmige Kornstruktur wird dadurch erreicht, daß die Keramikschicht 26 auf dem Bindungsüberzug 24 unter Verwendung einer physikalischen Dampfabscheidungstechnik, vorzugsweise EBPVD, abgeschieden wird. Gemäß dieser Erfindung erzielt eine Abscheidung der Keramikschicht 16 durch andere bekannte Verfahren, wie beispielsweise Luftplasmasprühen (APS) und Niederdruck-Plasmasprühen (LPPS), inakzeptable Resultate, z. B. einen gegenüber Abblättern empfindlichen TBC.
In Anbetracht der vorstehenden Beschreibung wird sichtbar, daß die Keramikschicht 26 gemäß der Erfindung konträr zum Stand der Technik ist, da die Keramikschicht 26 weniger als den von der Industrie akzeptierten Wert von Yttriumoxid zur Stablilisierung enthält. Genauer gesagt, bekannte YSZ Überzüge haben ausreichende Werte (wenigstens sechs Gewichtsprozent) an Yttriumoxid benötigt, um die unerwünschte monokline Phase zu vermeiden, und haben üblicherweise den Gehalt an Yttriumoxid auf etwa sechs bis acht Gewichtsprozent begrenzt, um eine vollständig tetragonale Phase beizubehalten. Wie durch das Zirconoxid-Yttriumoxid-Phasendiagramm in 3 verdeutlicht ist, bewirkt ein Gehalt an Yttriumoxid von weniger als sechs Gewichtsprozent, daß der YSZ Überzug während des Abkühlens eine tetragonal-zu-monokline Phasentransformation durchläuft. Eine derartige Phasentransformation bewirkt eine Volumenexpansion in der YSZ Schicht, wodurch das Abblättern gefördert wird. Jedoch verwendet die YSZ Keramikschicht 26 gemäß der Erfindung absichtlich Yttriumoxidwerte unter sechs Gewichtsprozent und sie enthält deshalb die unerwünschte monokline Phase in einer ansonsten tetragonalen Matrix. Es hat sich überraschenderweise gezeigt, daß das TBC Überzugssystem 20, das die Keramikschicht 26 gemäß der Erfindung verwendet, eine überlegene Beständigkeit gegenüber Abblättern aufweist, wenn sie mit üblichen YSZ Überzügen verglichen wird, die sechs Gewichtsprozent Yttriumoxid oder mehr enthalten. Die Basis für das unerwartete überlegene Leistungsvermögen der Yttriumoxid-armen YSZ Keramikschicht 26 gemäß der Erfindung ist noch nicht vollständig verstanden. Es soll zwar nicht an einer bestimmten Theorie festgehalten werden, aber das verbesserte Leistungsvermögen kann mit den unterschiedlichen Ausfallmechanismen zwischen PVD und Plasma-gesprühter Keramik zusammenhängen. TBC Systeme mit Plasma-gesprühter Keramik haben die Tendenz, durch Bruch innerhalb der Keramikschicht abzublättern, während TBC Systeme mit PVD Keramik üblicherweise innerhalb der thermisch gewachsenen Aluminiumoxidschicht zwischen der Kermikschicht und dem Bindungsüberzug brechen.
Im Laufe der Auswertung dieser Erfindung wurden Ofenzyklustests mit Proben aus Nickelbasis-Superlegierung ausgeführt, die eine Zirconoxidschicht aufwiesen, die durch entweder vier Gewichtsprozent Yttriumoxid (4% YSZ) oder sieben Gewichtsprozent Yttriumoxid (7% YSZ) stabilisiert war, wobei die letztere repräsen tativ für das YSZ Überzugsmaterial des Industriestandards ist. Die Nickelbasis-Legierung war Rene N5, die die folgende nominale Zusammensetzung in Gewichtsprozent hat. 7,5 Kobalt, 7,0 Chrom, 1,5 Molybdän, 5,0 Wolfram, 3,0 Rhenium, 6,5 Tantal, 6,2 Aluminium, 0,15 Hafnium, 0,05 Kohlenstoff, 0,004 Bohr, wobei der Rest Nickel und zufällige Verunreinigungen sind. Die YSZ Schichten wurden durch EBPVD bis zu einer Dicke von etwa 0,005 Zoll (etwa 125 Mikrometer) auf Plantin-Aluminid-Bindungsüberzügen abgeschieden. Beide YSZ Überzüge waren durch eine säulenförmige Kornstruktur als eine Folge des EBPVD Abscheidungsverfahrens charakterisiert. Während jedoch der 7% YSZ Überzug durch eine vollständig tetragonale Phase charakterisiert war, war der 4% YSZ Überzug gemäß der Erfindung durch bis zu etwa 10 Volumenprozent der monoklinen Phase in einer tetragonalen Matirx charakterisiert.
Der Test wurde bei einer Temperatur von etwa 2075°F (etwa 1135°C) ausgeführt und fortgesetzt, bis ein Bruch oder Abblättern des YSZ Überzuges auftrat. Die 4% YSZ Proben gemäß der Erfindung wiesen eine durchschnittliche Lebensdauer von etwa 1000 Zyklen auf im Vergleich zu 555 Zyklen für die üblichen 7% YSZ Proben. Eine zweite Serie von Ofen-Zyklus-Tests wurde unter den gleichen Bedingungen wie zuvor ausgeführt, mit der Ausnahme, daß ein marginal unterschiedlicher Platin-Aluminid-Überzug verwendet wurde. Wiederum wiesen die 4% YSZ Proben gemäß der Erfindung eine überlegene Ermüdungslebensdauer mit einer durchschnittlichen Lebensdauer von etwa 700 Zyklen auf im Vergleich zu 538 Zyklen für die üblichen 7% YSZ Proben.
Aus diesen Tests wurde ermittelt, daß eine EBPVD 4% YSZ Keramikschicht, d. h. ein YSZ Überzug, der sich durch eine säulenförmige Konstruktur mit einer monoklinen Phase in einer tetragonalen Matrix auszeichnete, eine überlegene Anhaftung gegenüber üblichen 7% YSZ Überzügen unter rauhen thermischen Bedingungen aufwies. Ein derartiges Ergebnis ist vollständig konträr zu bekannten Lehren und Tests, die gezeigt haben, daß 6–8% YSZ Überzüge überlegen sind. Auf der Basis dieser Tests wird angenommen, daß ein PVD YSZ, das durch weniger als sechs Gewichtsprozent Yttriumoxid stabilisiert ist, eine größere Anhaftung bei Temperaturen über etwa 2000°F (etwa 1100°C) aufweist als dies PVD YSZ tut, das mit mehr als sechs Gewichtsprozent Yttriumoxid stabilisiert ist. Es wird weiterhin ange nommen, daß die Härte und deshalb der Erosions- und Aufprallwiderstand von dem Yttriumoxid-armen PVD YSZ Überzug gemäß der Erfindung gegenüber bekannten YSZ Überzügen überlegen ist, die 7% oder mehr Yttriumoxid enthalten.
Es wird aufgrund der obigen Tests weiterhin angenommen, daß PVD YSZ, das durch weniger als sechs Gewichtsprozent Yttriumoxid stabilisiert ist, vorteilhafterweise als eine Basisschicht für andere Keramikschichten verwendet werden kann. Beispielsweise ist 20% YSZ extrem stabil bei erhöhten Temperaturen, weist aber eine schlechtere Anhaftung auf im Vergleich zu dem üblichen 6–8% YSZ. Gemäß der Erfindung würde eine < 6% YSZ Schicht als eine Basis, auf der eine YSZ Schicht stabilisiert durch > 17% Yttriumoxid abgeschieden ist, einen thermischen Trennüberzug erzielen, der durch eine verbesserte Anhaftung charakterisiert ist, als eine Folge der Yttriumoxid-armen YSZ Basisschicht und einer erhöhten thermischen Stabilität als eine Folge der Yttriumoxid-reichen YSZ Schicht an der Oberfläche von dem TBC System. Alternativ könnte die Zusammensetzung der Keramikschicht abgestuft sein, damit sie einen Yttriumoxid-Gehalt von weniger als sechs Gewichtsprozent neben dem Bindungsüberzug und von mehr als acht Gewichtsprozent, z. B. mehr als 17 Gewichtsprozent, an der äußeren Oberfläche von der Keramikschicht hat.
Die Erfindung ist zwar in Bezug auf ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel beschrieben worden, es wird aber deutlich, daß von dem Fachmann andere Formen angepasst werden können. Beispielsweise könnten MCrAIY und NiAl Bindungsüberzüge verwendet werden, und die Dicke der Keramikschicht könnte gegenüber der getesteten geändert werden. Weiterhin sind zwar YSZ Überzüge gemäß der Erfindung besonders vorteilhaft zur Verwendung von Temperaturen über 2000°F, aber auch Anwendungen mit niedrigeren Temperaturen können von Vorteil sein, wegen der verbesserten Anhaftung, die von derartigen keramischen Zusammensetzungen bereit gestellt wird. Deshalb soll der Schutzumfang der Erfindung nur durch die folgenden Ansprüche eingeschränkt sein.

Claims

Thermisches Trennüberzugssystem auf einer Gasturbinen-Triebwerkskomponente, enthaltend ein Substrat mit einem Bindungsüberzug darauf, enthaltend: eine PVD thermische isolierende EBPVD Keramikschicht, bestehend aus Zirkonoxid, das durch etwa 1 bis weniger als 6% Yttriumoxid teilweise stabilisiert ist, wobei sich die Keramikschicht durch eine säulenförmige Kornstruktur auszeichnet, in der bei Raumtemperatur eine monolithische Phase vorhanden ist, wobei die thermische Isolierschicht einen Yttriumoxid-Gehalt von weniger als 6 Gewichtsprozent an einem innersten Bereich der thermischen Isolierschicht hat und einen Yttriumoxid-Gehalt von mehr als 6 Gewichtsprozent an einer äusseren Oberfläche von der thermischen Isolierschicht hat.
Thermisches Trennüberzugssystem nach Anspruch 1, wobei die monolithische Phase in einer tetragonalen Matrix vorhanden ist.
Thermisches Trennüberzugssystem nach Anspruch 1 oder 2, wobei die thermische Isolierschicht etwa 2 bis 5 Gewichtsprozent Yttriumoxid enthält.
Thermisches Trennüberzugssystem nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei die thermische Isolierschicht einen abgestuften Yttriumoxid-Gehalt hat.
Thermisches Trennüberzugssystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Komponente eine Superlegierungskomponente von einem Gasturbinentriebwerk ist.
Thermisches Trennüberzugssystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die thermische Isolierung etwa 4 Gewichtsprozent Yttriumoxid enthält.
Thermisches Trennüberzugssystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die thermische Isolierschicht einen Yttriumoxid-Gehalt von weniger als 6 Gewichtsprozent neben dem Bindungsüberzug und einen Yttriumoxid-Gehalt von mehr als 17 Gewichtsprozent an einer äusseren Oberfläche der thermischen Isolierschicht hat.
Thermisches Trennüberzugssystem nach Anspruch 5 oder einem direkt oder indirekt darauf bezogenen Anspruch, wobei der Bindungsüberzug aus einem Material gebildet ist, das aus der aus Diffusions-Aluminiden, MCrAIY und NiAl bestehenden Gruppe ausgewählt ist.