DE69835208T2

DE69835208T2 - Adhesion coating for heat-insulating coating system

Info

Publication number: DE69835208T2
Application number: DE69835208T
Authority: DE
Inventors: Ramgopal West Chester Darolia
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1998-09-08
Filing date: 1998-09-08
Publication date: 2007-06-14
Anticipated expiration: 2018-09-09
Also published as: DE69835208D1

Description

Die Erfindung betrifft eine Bindeschicht für Wärmebarrieren-Beschichtungssysteme, die dazu dienen, Komponenten zu schützen, die Hochtemperaturumgebungen ausgesetzt sind, z.B. der aggressiven thermischen Umgebung in einem Gasturbinentriebwerk. Insbesondere betrifft diese Erfindung ein Wärmebarrieren-Beschichtungssystem, das eine durch eine physikalische Dampfabscheidungstechnik abgeschiedene binäre NiAl-Bindeschicht aufweist, auf der eine wärmeisolierende Keramiklage abgeschieden ist, wobei die thermische Lebensdauer des Beschichtungssystems mittels sehr geringer Beimengungen von Zirkonium zu dem Bindeschichtmaterial erheblich verbessert ist.The This invention relates to a bonding layer for thermal barrier coating systems, which serve to protect components that are high temperature environments are exposed, e.g. the aggressive thermal environment in one Gas turbine engine. In particular, this invention relates to a Thermal barrier coating system the one deposited by a physical vapor deposition technique binary NiAl bonding layer on which a heat-insulating ceramic layer is deposited, the thermal life of the coating system by means of very small admixtures of zirconium to the binder layer material is significantly improved.

Um den Wirkungsgrad von Gasturbinentriebwerken zu steigern, werden für diese immer höhere Betriebstemperaturen angestrebt. Allerdings muss mit den erhöhten Betriebstemperaturen die Hochtemperaturbeständigkeit der Komponenten des Triebwerks entsprechend verbessert werden. Wesentliche Fortschritte hinsichtlich hoher Temperaturbeständigkeiten wurden durch Schaffung von auf Eisen, Nickel und Kobalt basierten Superlegierungen erreicht, jedoch sind dieser Legierungen in reiner Form häufig nicht für die Ausbildung von Komponenten geeignet, die in gewissen Abschnitten eines Gasturbinentriebwerks, z.B. in der Turbine, der Brennkammer oder dem Augmentor angeordnet sind. Ein herkömmlicher Lösungsansatz basiert darauf, solche Komponenten thermisch zu isolieren, um ihre Betriebstemperatur zu minimieren. Um dies zu verwirklichen, haben an den exponierten Flächen von Hochtemperaturkomponenten ausgebildete Wärmebarrieren-Beschichtungen (TBC = Thermal Barrier Coating) breite Anwendung gefunden.Around to increase the efficiency of gas turbine engines for this ever higher Operating temperatures sought. However, with the increased operating temperatures the high temperature resistance the components of the engine are improved accordingly. basics Advances in high temperature resistance have been made by creating of iron, nickel and cobalt based superalloys, however, these alloys in pure form are often not for training components suitable for use in certain sections of a gas turbine engine, e.g. arranged in the turbine, the combustion chamber or the augmentor are. A conventional one approach is based on thermally isolating such components to their To minimize operating temperature. To realize this, have on the exposed areas thermal barrier coatings formed by high temperature components (TBC = Thermal Barrier Coating) widely used.

Um wirkungsvoll zu sein, müssen Wärmebarrieren-Beschichtungen eine niedrige Wärmeleitfähigkeit aufweisen, gut an dem Gegenstand haften und dürfen über viele Erwärmungs- und Abkühlungszyklen hinweg ihre Haftung nicht verlieren. Aufgrund der verschiedenen Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen Materialien mit niedriger Wärmeleitfähigkeit und den gewöhnlich zur Fertigung von Turbinentriebwerkskomponenten verwendeten Superlegierungswerkstoffen ist die zuletzt erwähnte Anforderung von besonderer Bedeutung. Wärmebarrieren-Beschichtungssysteme, die in der Lage sind, den oben erwähnten Anforderungen zu genügen, benötigten im Allgemeinen bisher eine auf der Komponentenfläche abgeschiedene metallische Bindungsschicht, gefolgt von einer haftenden Keramiklage, die der thermischen Isolierung der Komponente diente. Als Material für die wärmeisolierende Keramiklage wurden bisher weit verbreitet Metalloxide, z.B. Zirkonerde (ZrO₂), verwendet, die teilweise oder vollkommen durch Yttriumoxid (Y₂O₃), Magnesia (MgO) oder sonstige Oxide stabilisiert waren. Die Keramiklage wird gewöhnlich durch Luftplasmasprühen (APS = Air Plasma Spraying), Niederdruckplasmasprühen (LPPS = Low Pressure Plasma Spraying) oder durch eine physikalische Dampfabscheidungs-(PVD = Physical Vapor Deposition)-Technik, z.B. Elektronenstrahl-PVD-Beschichtung (EBPVD = Electron Beam Physical Vapor Deposition) abgeschieden, die eine belastungstolerante Säulenkornstruktur liefert. Bindeschichten werden gewöhnlich aus einer oxidationsbeständigen, auf Aluminium basierenden, intermetallischen Verbindung hergestellt, beispielsweise aus einem Diffusionsaluminid oder Platinaluminid oder aus einer oxidationsbeständiges Aluminium enthaltenden Legierung, wie MCrAlY (wobei M für Eisen, Kobalt und/oder Nickel steht).To be effective, thermal barrier coatings must have low thermal conductivity, adhere well to the article, and must not lose their adhesion over many heating and cooling cycles. Because of the different coefficients of thermal expansion between low thermal conductivity materials and the superalloy materials commonly used to manufacture turbine engine components, the last-mentioned requirement is of particular importance. Thermal barrier coating systems capable of meeting the above-mentioned requirements generally required a metal bonding layer deposited on the component surface, followed by an adherent ceramic layer which served to thermally insulate the component. As the material for the heat-insulating ceramic layer, metal oxides such as zirconia (ZrO ₂ ), which have been partially or completely stabilized by yttria (Y ₂ O ₃ ), magnesia (MgO) or other oxides, have been widely used. The ceramic layer is usually formed by air plasma spraying (APS), low pressure plasma spraying (LPPS) or by a physical vapor deposition (PVD) technique, eg electron beam PVD (EBPVD = Electron Beam Physical Vapor Deposition), which provides a stress tolerant columnar grain structure. Bonding layers are usually made of an oxidation-resistant, aluminum-based, intermetallic compound, for example, a diffusion aluminide or platinum aluminide, or an oxidation-resistant aluminum-containing alloy such as MCrAlY (where M is iron, cobalt, and / or nickel).

Der Aluminiumgehalt der oben erwähnten Bindeschichtmaterialien ermöglicht bei relativ hohen Temperaturen ein langsames Wachstum einer festen haftenden kontinuierlichen Aluminiumoxidlage (Aluminiumoxidhaut). Dieses thermisch gezüchtete Oxid (TGO) schützt die Bindeschicht vor Oxidation und Hitzekorrosion und bindet die Keramiklage chemisch an die Bindeschicht. Obwohl Bindeschichtmaterialien speziell mit Blick auf Oxidationsbeständigkeit legiert werden, löst die bei relativ hohen Temperaturen mit der Zeit auftretende Oxidation allmählich Aluminium aus der Bindeschicht. Schließlich ist der Anteil an Aluminium in der Bindeschicht ausreichend abgereichert, um ein weiteres langsames Wachstum des schützenden Oxids zu verhindern, und das raschere Wachstum von nicht schützenden Oxiden zuzulassen. Zu einem solchen Zeitpunkt kann an der Grenzfläche zwischen der Bindeschicht und der Aluminiumoxidlage oder an der Grenzfläche zwischen der Oxidlage und der Keramiklage eine Abspaltung auftreten.Of the Aluminum content of the above mentioned Bonding layer materials allows at relatively high temperatures a slow growth of a solid adherent continuous alumina layer (alumina skin). This thermally bred Oxide (TGO) protects the bonding layer from oxidation and heat corrosion and binds the Ceramic layer chemically to the bonding layer. Although tie layer materials which are specially alloyed with regard to oxidation resistance, which dissolves relatively high temperatures with time oxidation gradually aluminum from the tie layer. After all the proportion of aluminum in the binding layer is sufficiently depleted, to prevent further slow growth of the protective oxide and allow the faster growth of non-protective oxides. At such a time may be at the interface between the bonding layer and the alumina layer or at the interface between the oxide layer and the ceramic layer a split occur.

Zusätzlich zu der Abreicherung von Aluminium, kann die Fähigkeit der Bindeschicht, die gewünschte Aluminiumoxidlage zu bilden, durch die Zwischendiffusion von Elementen zwischen der Superlegierung und der Bindeschicht behindert sein, z.B. während der Bildung einer Diffusionsaluminidbeschichtung und während einer Hochtemperaturexposition. Insbesondere können Elemente wie Nickel, Kobalt, Chrom, Titan, Tantal, Wolfram und Molybdän die Wachstumsrate von Aluminiumoxid steigern und großflächige, nicht haftende Oxide oder Oxidhäute bilden, die sich möglicherweise nachteilig auf die Haftung der Keramiklage auswirken.In addition to the depletion of aluminum, the ability of the bonding layer, the desired aluminum oxide layer to form through the interdiffusion of elements between the Superalloy and the binding layer to be obstructed, e.g. during the Formation of a diffusion aluminide coating and during a High temperature exposure. In particular, elements such as nickel, cobalt, Chromium, titanium, tantalum, tungsten and molybdenum the growth rate of alumina boost and large-scale, not adhering oxides or oxide skins form, possibly adversely affect the adhesion of the ceramic layer.

Aus dem oben erwähnten geht klar hervor, dass die Lebensdauer einer Wärmebarrieren-Beschichtung von der Binde schicht abhängt, die zur Verankerung der wärmeisolierenden Keramiklage verwendet wird. Wenn es zu einer Abspaltung der Keramiklage gekommen ist, ist die Komponente zu verschrotten oder mit beträchtlichen Kosten zu erneuern, indem die übrige Keramiklage und Bindeschicht einschließlich jeglicher zwischen der Bindeschicht und dem Substrat vorhandener Diffusionszone entfernt wird. Da das Abtragen der Diffusionszone in der Praxis einen Teil der Substratoberfläche entfernt, ist die Komponente nach Durchführung einer beschränkten Anzahl von Reparaturen zu verschrotten. Mit Blick auf die beträchtlichen Kosten der Reparatur und des Austausches von Wärmebarrieren-Beschichtungssystemen, wurden erhebliche und ständige Anstrengungen darauf verwendet, deren Lebensdauer durch eine Verbesserung der Abspaltungsbeständigkeit der wärmeisolierenden Schicht zu steigern. Allerdings wurden diese Bemühungen durch die Anforderungen nach höheren Betriebstemperaturen für Gasturbinentriebwerke erschwert.From the above, it is clear that the life of a thermal barrier coating depends on the bonding layer used to anchor the heat-insulating ceramic layer. If there is a cleavage of the ceramic layer, the component shall be scraped or renewed at considerable cost by removing the remainder of the ceramic layer and bonding layer, including any diffusion zone present between the bonding layer and the substrate. Since removal of the diffusion zone in practice removes part of the substrate surface, the component must be scrapped after a limited number of repairs. Considering the considerable cost of repair and replacement of thermal barrier coating systems, considerable and constant efforts have been made to increase their life by improving the cleavage resistance of the thermal insulating layer. However, these efforts have been hampered by the requirements for higher gas turbine engine operating temperatures.

Die WO-A-9729219 offenbart eine Superlegierung mit einem Wärmebarrieren-Beschichtungssystem, das eine Bindeschicht, eine auf der Bindeschicht aufgebrachte Aluminiumoxidlage und eine auf der Aluminiumoxidlage abgeschiedene keramische Deckschicht aufweist. Die Bindeschicht basiert im Wesentlichen auf 13 bis ungefähr 30 Gewichtsprozent Aluminium, zwischen einer Spur und etwa 3 Gewichtsprozent Yttrium oder ein sonstiges reaktives Element, beispielsweise Zirkonium, sowie ein aus der Gruppe Nickel, Kobalt und Eisen ausgewählter Rest.The WO-A-9729219 discloses a superalloy with a thermal barrier coating system a tie layer, an alumina layer applied to the tie layer and a ceramic overcoat deposited on the alumina layer having. The tie layer is based essentially on 13 to about 30 weight percent Aluminum, between one track and about 3 weight percent yttrium or another reactive element, for example zirconium, and a group selected from the group of nickel, cobalt and iron.

Die US-A-4 610 736 offenbart eine Beschichtungslegierung, die eine verbesserte Korrosionsbeständigkeit aufweist und im Wesentlichen auf einer intermetallischen Beta- Phasen-Legierung basiert, die etwa 30 Gewichtsprozent Aluminium, zwischen etwa 0,05 Gewichtsprozent bis ungefähr 0,25 Gewichtsprozent Zirkonium und den Rest Nickel enthält.The US-A-4 610 736 discloses a coating alloy which has been improved corrosion resistance and essentially on a beta-phase intermetallic alloy based on about 30 weight percent aluminum, between about 0.05 Weight percent to about Contains 0.25 weight percent zirconium and the balance nickel.

Die EP-A-0 792 948 offenbart ein Substrat mit einem Wärmebarrieren-Beschichtungssystem, das eine NiAl-"beta"-Bindeschicht, eine Aluminiumoxidlage und eine keramische Deckschicht aufweist.The EP-A-0 792 948 discloses a substrate having a thermal barrier coating system, a NiAl "beta" binder layer, an alumina layer and a ceramic cover layer.

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine Komponente geschaffen, die an ihrer Oberfläche ein Wärmebarrieren-Beschichtungssystem nach Anspruch 1 der Erfindung aufweist.According to the present Invention, a component is provided which on its surface Thermal barrier coating system according to claim 1 of the invention.

Die vorliegende Erfindung schafft eine Wärmebarrieren-Beschichtung auf einem Artikel, der mit Blick auf den Einsatz in einer aggressiven thermischen Umgebung konstruiert ist, z.B. sind dies Turbinen-, Brennkammer- oder Augmentorkomponenten eines Gasturbinentriebwerks. Die Erfindung betrifft insbesondere eine Steigerung der Abspaltungsbeständigkeit eines Wärmebarrieren-Beschichtungssystems mittels einer Bindeschicht, die eine erheblich verbesserte Korrosionsbeständigkeit zeigt.The The present invention provides a thermal barrier coating an article that is facing an aggressive use thermal environment, e.g. are these turbine, Combustor or augmentor components of a gas turbine engine. In particular, the invention relates to an increase in the cleavage resistance a thermal barrier coating system by means of a bonding layer, which significantly improves corrosion resistance shows.

Das Wärmebarrieren-Beschichtungssystem der vorliegenden Erfindung verwendet eine auf einer Nickelaluminidlegierung basierende Bindeschicht, über der eine wärmeisolierende Keramiklage abgeschieden ist, wobei die Bindeschicht die herkömmliche Aufgabe hat, die Adhäsion der Keramiklage an dem Artikel zu fördern. Gemäß der Erfindung enthält die Nickelaluminidbindeschicht Zirkonium in einem Anteil von etwa 0,1 Atom%, besteht jedoch in sonstiger Weise vorherrschend aus der Beta-(β)-NiAl-Phase. Wie bei Aluminium enthaltenden Bindeschichten aus dem Stand der Technik lässt die Binde schicht der vorliegenden Erfindung eine kontinuierliche Aluminiumoxidlage entstehen, die die Haftung der Keramiklage an der Bindeschicht fördert. Das Abscheiden der Bindeschicht erfolgt durch ein physikalisches Dampfabscheidungsverfahren (PVD), beispielsweise durch Magnetronsprühen, Elektronenstrahl-PVD-Beschichtung (EBPVD) oder Strahldampfabscheidung (JVD = Jet Vapor Deposition), obwohl andere Beschichtungsprozesse, beispielsweise Abscheidung durch Vakuumplasmasprühen (VPS = Vacuum Plasma Spray), Niederdruckplasmasprühen (LPPS) und Luftplasmasprühen (APS) möglich sind. Die Keramiklage kann durch bekannte Techniken, beispielsweise Plasmasprühen und PVD-Techniken, auf der Bindeschicht abgeschieden werden. Eine Aluminiumoxidlage wird vorzugsweise entweder vor dem Abscheiden der Bindeschicht oder während der Abscheidung der Keramiklage durch Wärmebehandlung auf der Bindeschicht gezüchtet.The Thermal barrier coating system The present invention uses one on a nickel aluminide alloy based tie layer, about the one heat-insulating Ceramic layer is deposited, wherein the bonding layer, the conventional Task is the adhesion promote the ceramic layer on the article. According to the invention, the nickel aluminide binder layer contains Zirconium in an amount of about 0.1 atom%, but exists in otherwise predominantly from the beta (β) NiAl phase. As with aluminum The prior art binding layers containing the Tie layer of the present invention, a continuous alumina layer arise, which promotes the adhesion of the ceramic layer to the bonding layer. The Deposition of the tie layer is accomplished by a physical vapor deposition process (PVD), for example by magnetron spraying, electron beam PVD coating (EBPVD) or jet vapor deposition (JVD = Jet Vapor Deposition), although other coating processes, such as deposition by Vacuum plasma spraying (VPS = Vacuum Plasma Spray), Low Pressure Plasma Spray (LPPS) and air plasma spraying (APS) possible are. The ceramic layer may be formed by known techniques, for example plasma spraying and PVD techniques on which tie layer are deposited. A Alumina layer is preferably either before deposition the tie layer or while the deposition of the ceramic layer by heat treatment on the bonding layer bred.

Eine grundlegendes Merkmal der vorliegenden Erfindung ist, dass die Bindeschicht keine herkömmliche Diffusionsaluminid- oder MCrAlY-Beschichtung ist, sondern eine binäre NiAl-Legierung, die im Wesentlichen auf Nickel und Aluminium in stöchiometrischen Mengen basiert und einen sehr beschränkten Anteil an Zirkonium enthält, über das sich unerwartet herausstellte, dass es die Lebensdauer des Wärmebarrieren-Beschichtungssystems bedeutend steigert. Insbesondere zeigte sich, das Zirkoniumbeimengungen von zwischen 0,05 bis 0,5 Atoms die Lebensdauer eines Wärmebarrieren-Beschichtungssystems, das Wärmewechselbeanspruchungstests unterworfen wurde, um einen Faktor von etwa zwei bis im Extremfall zehn verbesserten, wobei sich die besten Ergebnisse anscheinend bei etwa 0,1 Atom% Zirkonium erzielen ließen. Die empfindliche Abhängigkeit der thermischen Lebensdauer von dem Zirkoniumgehalt der NiAl-Bindeschicht zeigt sich besonders deutlich unter steigenden Testtemperaturen, was bedeutet, dass die Bindeschicht der vorliegenden Erfindung besonders nützlich für anspruchsvollere Anwendungen ist. Es wird angenommen, dass andere reaktive Elemente, z.B. Hafnium, Yttrium und Cäsium, eine ähnliche Wirkung auf eine NiAl-Bindeschicht haben würden.A basic feature of the present invention is that the bond coat is not a conventional diffusion aluminide or MCrAlY coating, but a binary NiAl alloy based essentially on nickel and aluminum in stoichiometric amounts and containing a very limited amount of zirconium unexpectedly turned out to significantly increase the life of the thermal barrier coating system. In particular, zirconium additions of between 0.05 to 0.5 atoms have been found to improve the life of a thermal barrier coating system subjected to thermal cycling tests by a factor of about two to an extreme ten, with the best results appearing to be about 0, Achieved 1 atom% zirconium. The sensitive dependence of the thermal life of the zirconium content of the NiAl bonding layer is particularly evident under increasing test temperatures, which means that the bonding layer of the present invention The invention is particularly useful for more demanding applications. It is believed that other reactive elements, eg hafnium, yttrium and cesium, would have a similar effect on a NiAl bonding layer.

Ein weiterer wichtiger Aspekt der Erfindung ist, dass die Bindeschicht so abgeschieden wird, dass die Diffusion der Bindeschichtbestandteile in die Oberfläche des Artikels auf ein Minimum reduziert wird. Beispielsweise wird vorzugsweise eine Diffusionszone von nicht mehr als fünf Mikrometer durch die bevorzugten PVD-Techniken erreicht. Dieses reduzierte Maß an Wechselwirkung zwischen der Bindeschicht und dem Substrat fördert die Bildung einer anfänglichen Schicht aus im Wesentlichen reinem Aluminiumoxid, fördert das langsame Wachstum der schützenden Aluminiumoxidlage während der Erneuerung und reduziert die Bildung großflächiger nicht haftender Oxide aus Substratbestandteilen, die dazu neigen, in die Bindeschicht zu diffundieren. Von Bedeutung ist, dass aufgrund der Beschränkung der Diffusion der Bindeschicht in das Substrat nur eine minimale Menge von Substratmaterial bei der Erneuerung des Wärmebarrieren-Beschichtungssystems zu entfernen ist, wenn sowohl die Bindeschicht als auch die wärmeisolierende Keramiklage abzutragen ist, um die Abscheidung einer neuen Bindeschicht und Keramiklage auf dem Substrat zu ermöglichen.One Another important aspect of the invention is that the binding layer is deposited so that the diffusion of the binder layer components in the surface of the article is reduced to a minimum. For example preferably a diffusion zone of not more than five microns achieved through the preferred PVD techniques. This reduced Measure Interaction between the tie layer and the substrate promotes the Formation of an initial one Layer of essentially pure alumina promotes the slow Growth of protective Alumina layer during renewal and reduces the formation of large non-adherent oxides of substrate constituents which tend to be in the bonding layer to diffuse. Of importance is that due to the limitation of Diffusion of the bonding layer into the substrate only a minimal amount of substrate material in the renewal of the thermal barrier coating system Remove is when both the bonding layer and the heat-insulating Ceramic layer is to remove the deposition of a new bonding layer and to enable ceramic layer on the substrate.

Weitere Aufgaben und Vorteile dieser Erfindung werden nach dem Lesen der folgenden detaillierten Beschreibung anhand der beigefügten Zeichnungen verständlicher:Further Objects and advantages of this invention will become apparent after reading the following detailed description with reference to the accompanying drawings understandable:

1 veranschaulicht in einer perspektivischen Ansicht eine Hochdruckturbinenschaufel; und 1 Fig. 3 is a perspective view of a high pressure turbine blade; and

2 zeigt eine Schnittansicht der Schaufel von 1 entlang der Schnittlinie 2-2 und ein auf der Schaufel angeordnetes Wärmebarrieren-Beschichtungssystem gemäß der vorliegenden Erfindung. 2 shows a sectional view of the blade of 1 along section line 2-2 and a blade-mounted thermal barrier coating system according to the present invention.

Die vorliegende Erfindung ist im Wesentlichen für Komponenten geeignet, die in durch verhältnismäßig hohe Temperaturen gekennzeichneten Umgebungen arbeiten und daher heftigen thermischen Spannungen und thermischen Wechselbeanspruchungen unterworfen sind. Wichtige Beispiele derartiger Komponenten sind die Hoch- und Niederdruckturbinendüsen und Schaufeln, Hauben, Brennkammerauskleidungen und Augmentorhardware von Gasturbinentriebwerken. Ein solches Beispiel ist die in 1 gezeigte Hochdruckturbinenschaufel 10. Die Schaufel 10 weist im Allgemeinen eine Strömungsfläche 12 auf, gegen die während des Betriebs des Gasturbinentriebwerks heiße Verbrennungsgase gelenkt werden, und deren Oberfläche daher stark durch Oxidation, Korrosion und Erosion angegriffen wird. Die Strömungsfläche 12 ist an einer (nicht gezeigten) Turbinenscheibe über einen Schwalbenschwanz 14 verankert, der an einem Fußpunktabschnitt 16 der Schaufel 10 ausgebildet ist. In der Strömungsfläche 12 sind Kühlkanäle 18 ausgebildet, durch die Zapfluft gedrückt wird, um Wärme aus der Schaufel 10 abzuführen. Während die Vorteile dieser Erfindung anhand der in 1 gezeigten Hochdruckturbinenschaufel 10 beschrieben werden, sind die Erkenntnisse dieser Erfindung im Wesentlichen auf beliebige Komponenten anwendbar, auf denen ein Wärmebarrieren-Beschichtungssystem genutzt werden kann, um die Komponente vor ihrer Umgebung zu schützen.The present invention is essentially suitable for components that operate in environments characterized by relatively high temperatures and are therefore subject to severe thermal stresses and thermal cycling. Important examples of such components are the high and low pressure turbine nozzles and blades, hoods, combustor liners, and augmentor hardware of gas turbine engines. One such example is the in 1 shown high-pressure turbine blade 10 , The shovel 10 generally has a flow area 12 against which hot combustion gases are directed during operation of the gas turbine engine and whose surface is therefore severely attacked by oxidation, corrosion and erosion. The flow area 12 is on a turbine disk (not shown) via a dovetail 14 anchored at a footpoint section 16 the shovel 10 is trained. In the flow area 12 are cooling channels 18 formed by the bleed air is pressed to heat out the blade 10 dissipate. While the advantages of this invention are based on the in 1 shown high-pressure turbine blade 10 The teachings of this invention are essentially applicable to any components on which a thermal barrier coating system can be used to protect the component from its environment.

2 zeigt ein Wärmebarrieren-Beschichtungssystem 20 gemäß der vorliegenden Erfindung. Wie gezeigt, enthält das Beschichtungssystem 20 eine Keramiklage 26, die mittels einer Bindeschicht 24 an das Schaufelsubstrat 22 gebunden ist. Das Substrat 22 (die Schaufel 10) besteht vorzugsweise aus einem für hohe Temperaturen geeigneten Material, z.B. aus einer auf Eisen-, Nickel- oder Kobalt basierenden Superlegierung. Um eine belastungstolerante Säulenkornstruktur zu erhalten, ist die Keramiklage 26 vorzugsweise durch physikalische Dampfabscheidung abgeschieden (PVD), obwohl andere Abscheidungstechniken verwendet werden könnten. Ein bevorzugtes Material für die Keramiklage 26 ist eine mit Yttriumoxid stabilisierte Zirkonerde (YSZ), wobei eine bevorzugte Zusammensetzung etwa 6 bis ungefähr 8 Gewichtsprozent Yttriumoxid aufweist, obwohl auch andere Keramikmaterialien verwendet werden könnten, z.B. Yttriumoxid, nicht stabilisierte Zirkonerde oder durch Ceroxid (CeO₂), Scandiumoxid (Sc₂O₃) oder sonstige Oxide stabilisierte Zirkonerde. Die Keramiklage 26 wird bis zu einer Dicke abgeschieden, die ausreicht, um den erforderlichen thermischen Schutz für das darunterliegende Substrat 22 und die Schaufel 10 zu schaffen; im Allgemeinen ist dies in der Größenordnung von etwa 125 bis ungefähr 300 μm. Wie bei Wärmebarrieren-Beschichtungssystemen aus dem Stand der Technik, oxidiert die Oberfläche der Bindeschicht 24, um eine Aluminiumoxidlage 28 zu bilden, an die die Keramiklage 26 chemisch bindet. 2 shows a thermal barrier coating system 20 according to the present invention. As shown, the coating system contains 20 a ceramic layer 26 by means of a binding layer 24 to the blade substrate 22 is bound. The substrate 22 (the shovel 10 ) preferably consists of a material suitable for high temperatures, for example of an iron, nickel or cobalt-based superalloy. To obtain a stress tolerant columnar grain structure, the ceramic sheet is 26 preferably deposited by physical vapor deposition (PVD), although other deposition techniques could be used. A preferred material for the ceramic layer 26 is a yttria-stabilized zirconia (YSZ), with a preferred composition comprising about 6 to about 8 weight percent yttria although other ceramic materials could be used, eg, yttria, unstabilized zirconia, or ceria (CeO ₂ ), scandium oxide (Sc ₂ O) ₃ ) or other oxides stabilized zirconia. The ceramic layer 26 is deposited to a thickness sufficient to provide the required thermal protection to the underlying substrate 22 and the shovel 10 to accomplish; generally this is on the order of about 125 to about 300 microns. As with prior art thermal barrier coating systems, the surface of the bond coat oxidizes 24 to an alumina layer 28 to form, to which the ceramic layer 26 chemically binds.

Gemäß der Erfindung ist die Bindeschicht 24 eine Nickelaluminidlegierung, die vorherrschend auf der Beta-(β)-NiAl-Phase mit einer sehr geringen Beimengung von Zirkonium basiert. Die NiAl-Bindeschicht 24 wird mittels eines PVD- Verfahrens, vorzugsweise Sprühen, Elektronenstrahl-PVD-Beschichtung (EBPVD) oder Strahldampfabscheidung (JVD) gebildet, obwohl es klar ist, das sonstige Abscheidungstechniken verwendet werden könnten, z.B. Plasmasprühen. Gemäß der Erfindung beträgt eine geeignete Dicke der NiAl-Bindeschicht 24 etwa fünfzig Mikrometer, um dass darunterliegende Substrat 22 zu schützen und eine geeignete Zufuhr von Aluminium für die Oxidbildung vorsehen, obwohl angenommen wird, dass Dicken von etwa 25 bis ungefähr 125 μm geeignet sind.According to the invention, the binding layer 24 a nickel aluminide alloy predominantly based on the beta (β) NiAl phase with a very small addition of zirconium. The NiAl bonding layer 24 is formed by a PVD process, preferably spraying, electron-beam PVD (EBPVD) or jet vapor deposition (JVD), although it is clear that other deposition techniques could be used, eg, plasma spraying. According to the invention, a suitable thickness of the NiAl-binder is layer 24 about fifty microns to the underlying substrate 22 and provide a suitable supply of aluminum for oxide formation, although it is believed that thicknesses of about 25 to about 125 microns are suitable.

Die bevorzugten PVD-Techniken werden vorzugsweise durchgeführt, um die Diffusion der Bindeschicht 24 in das Substrat 22 zu reduzieren. Vorzugsweise ruft die Abscheidung der Bindeschicht 24 nahezu keine Diffusion zwischen der Bindeschicht 24 und dem Substrat 22 hervor. Während einer nachfolgenden Wärmebehandlung zur Entlastung von während des Beschichtungsprozesses entstandenen Restspannungen kann sich eine sehr dünne Diffusionszone 30 von nicht viel mehr als fünf μm, gewöhnlich etwa 2,5 bis 5 μm, entwickeln. Eine bevorzugte Wärmebehandlung wird bei etwa 1800 °F (etwa 980 °C) für etwa zwei bis vier Stunden in einer inerten Atmosphäre, z.B. Argon, durchgeführt. Von Bedeutung ist, dass die minimale Dicke der Diffusionszone 30 die ursprüngliche Bildung der Oxidlage 28 in Form von im Wesentlichen reinem Aluminiumoxid fördert, das langsame Wachstum der schützenden Aluminiumoxidlage 28 während der Erneuerung begünstigt, die Bildung großflächiger nicht haftender Oxide an der Grenzschicht zwischen Bindeschicht und Keramiklage reduziert und die Substratmaterialmenge reduziert, die während einer Erneuerung des Wärmebarrieren-Beschichtungssystems 20 zu entfernen ist. Dementsprechend können Artikel wie die in 1 gezeigte Schaufel 10 häufiger erneuert werden, als dies bei Verwendung einer herkömmlichen Bindeschicht möglich ist.The preferred PVD techniques are preferably performed to facilitate diffusion of the bonding layer 24 in the substrate 22 to reduce. Preferably, the deposition of the tie layer 24 almost no diffusion between the bonding layer 24 and the substrate 22 out. During a subsequent heat treatment to relieve the residual stresses created during the coating process, a very thin diffusion zone may occur 30 of not much more than five μm, usually about 2.5 to 5 μm. A preferred heat treatment is conducted at about 1800 ° F (about 980 ° C) for about two to four hours in an inert atmosphere such as argon. Of importance is that the minimum thickness of the diffusion zone 30 the original formation of the oxide layer 28 in the form of substantially pure alumina promotes the slow growth of the protective alumina layer 28 during annealing, reduces the formation of large area non-adherent oxides at the interface between bond layer and ceramic layer, and reduces the amount of substrate material during a thermal barrier coating system replacement 20 to remove. Accordingly, articles like the one in 1 shown blade 10 renewed more frequently than is possible using a conventional bonding layer.

Wie in 2 gezeigt, kann eine optionale Diffusionsbarrierenlage 32 zwischen der NiAl-Bindeschicht 24 und dem Substrat 22 einbezogen werden, um Zwischendiffusion zusätzlich zu verhindern und die Lebensdauer des Beschichtungssystems 20 dadurch zu verbessern. Wie oben erwähnt, wird angenommen, dass das anfängliche Aluminiumoxid, das durch die NiAl-Bindeschicht 24 gebildet wird, das Fundament für eine langsam wachsende Oxidhaut (thermisch gezüchtetes Oxid; TGO = Thermally Grown Oxide) bereitet. Allerdings könnte bei einer Temperaturexposition während der Wartung eine Diffusion feuerfester Elemente aus dem Superlegierungssubstrat 22 in Richtung der NiAl-Bindeschicht 24 stattfinden, wodurch möglicherweise die Lebensdauer des Wärmebarrieren-Beschichtungssystems 20 beeinträchtigt werden würde. Um diese Situation zu vermeiden und um die Lebensdauer zusätzlich zu verlängern, ist die Diffusionsbarrierenlage 32 zusätzlich von Vorteil. Geeignete Verfahren zum Ausbilden der Diffusionsbarrierenlage 32 sind beispielsweise das Aufkohlen des Substrats 22 gemäß der US-Patentschrift 5 334 263 von Schaeffer und die Abscheidung einer Schicht aus AlN oder Al-O-N auf dem Substrat 22 durch eine PVD-Technik oder durch eine chemisches Abscheidung aus der Dampfphase (CVD = Chemical Vapor Deposition).As in 2 can be an optional diffusion barrier layer 32 between the NiAl bonding layer 24 and the substrate 22 be included to additionally prevent interdiffusion and the life of the coating system 20 thereby improving. As noted above, it is believed that the initial alumina passing through the NiAl bond layer 24 which forms the foundation for a slow growing oxide film (TGO = Thermally Grown Oxide). However, at temperature exposure during maintenance, diffusion of refractory elements from the superalloy substrate could occur 22 in the direction of the NiAl bonding layer 24 which may possibly shorten the life of the thermal barrier coating system 20 would be affected. To avoid this situation and to additionally extend the life, the diffusion barrier layer is 32 additionally advantageous. Suitable methods for forming the diffusion barrier layer 32 For example, carburizing the substrate 22 U.S. Patent 5,334,263 to Schaeffer and the deposition of a layer of AlN or Al-ON on the substrate 22 by a PVD technique or by a chemical vapor deposition (CVD = Chemical Vapor Deposition).

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist die NiAl-Bindeschicht 24 eine binäre NiAl-Legierung, die im Wesentlichen auf Nickel und Aluminium in stöchiometrischen Mengen basiert und eine sehr beschränkten Anteil an Zirkonium enthält, für das sich unerwartet herausstellte, dass es die Lebensdauer des Wärmebarrieren-Beschichtungssystems bedeu tend steigert. Insbesondere wurde nachgewiesen, dass NiAl-Bindeschichten, die zwischen etwa 0,05 und etwa 0,5 Atom% Zirkonium enthalten, die Lebensdauer bedeutend verlängern, d.h. die Abspaltungsbeständigkeit eines Wärmebarrieren-Beschichtungssystems erhöhen.According to the present invention, the NiAl bonding layer is 24 a binary NiAl alloy that is based essentially on nickel and aluminum in stoichiometric amounts and contains a very limited amount of zirconium, which unexpectedly turned out to significantly increase the life of the thermal barrier coating system. In particular, it has been demonstrated that NiAl bond layers containing between about 0.05 and about 0.5 atomic percent zirconium significantly increase the lifetime, ie, increase the cleavage resistance of a thermal barrier coating system.

Während einer Forschung, die zu dieser Erfindung führte, wurden Proben einer auf Nickel basierenden Superlegierung mit Wärmebarrieren-Beschichtungssystemen versehen, die eine Bindeschicht enthielten, auf der mit 7 % Yttriumoxid stabilisierte Zirkonerde (YSZ) mittels EBPVD bis zu einer Dicke von etwa 125 μm abgeschieden wurde. Wie in Tabelle I angezeigt, waren die Bindeschichten für eine erste Gruppe von Superlegierungsproben herkömmliche Platinaluminid-(PtAl)-Diffusionsbindeschichten mit einer nominalem Dicke von etwa 60 bis 75 μm. Zweite und dritte Gruppen von Superlegierungsproben wurden mit einer NiAl-Bindeschicht beschichtet, die Zirkonium mit einem Prozentsatz von entweder etwa 0,05 oder etwa 0,1 Atom% gemäß der vorliegenden Erfindung enthielt. Jede der NiAl-Bindeschichten wurde durch Magnetronsprühen abgeschieden, um eine Dicke von etwa fünfzig Mikrometer aufzuweisen. Zuletzt wurden zwei Gruppen von Gussknöpfen aus NiAl gemäß der vorliegenden Erfindung ausgebildet, um Zirkonium mit einem Gehalt von entweder etwa 0,1 oder etwa 0,5 Atom% zu enthalten. Die Knöpfe hatten einen Durchmesser von etwa einem Zoll (etwa 25 Millimeter) und eine Dicke von etwa 0,125 Zoll (etwa 3 Millimeter). Wie im Falle der Superlegierungsproben wurden die NiAl Knöpfe ebenfalls mit 7 % YSZ beschichtet, das mittels EBPVD bis zu einer Dicke von etwa 125 μm abgeschieden wurde.During one Research leading to this invention has been the subject of a study Nickel-based superalloy with thermal barrier coating systems which contained a tie layer on which 7% yttria stabilized zirconia (YSZ) by EBPVD to a thickness of about 125 μm was separated. As indicated in Table I, the tie layers were for one first group of superalloy samples conventional platinum aluminide (PtAl) diffusion bonding layers with a nominal thickness of about 60 to 75 microns. Second and third groups superalloy samples were coated with a NiAl bonding layer, the zirconium with a percentage of either about 0.05 or about 0.1 at% according to the present Invention contained. Each of the NiAl tie layers was deposited by magnetron spraying to obtain a thickness of about fifty Have micrometer. Most recently, two groups of NiAl cast iron buttons were used according to the present Invention adapted to zirconium containing either about 0.1 or about 0.5 at.%. The buttons had a diameter of about one inch (about 25 millimeters) and a Thickness of about 0.125 inches (about 3 millimeters). As in the case of Superalloy samples, the NiAl buttons were also coated with 7% YSZ, deposited by EBPVD to a thickness of about 125 microns has been.

Die Abspaltungsbeständigkeit der YSZ-Beschichtungen wurde anschließend durch thermische Wechselbeanspruchung ausgehend von Raumtemperatur auf entweder etwa 2075 °F (etwa 1135 °C) oder auf etwa 2150 °F (etwa 1175 °C) bewertet, wobei ein voller Zyklus in etwa einer Stunde vollführt wurde. Die Ergebnisse der Untersuchung sind in Tabelle I zusammengefasst. TABELLE I.

* durch Magnetronsprühen aufgebrachte NiAl+Zr-Beschichtung.
** NiAl- und NiAl+Zr-Gussknöpfe.
+ Untersuchung wurde unterbrochen bevor eine Abspaltung aufgetreten war.

The cleavage resistance of the YSZ coatings was then evaluated by thermal cycling from room temperature to either about 2075 ° F (about 1135 ° C) or about 2150 ° F (about 1175 ° C), with a full cycle performed in about one hour , The results of the study are summarized in Table I. TABLE I.

* magnetron sprayed NiAl + Zr coating.
** NiAl and NiAl + Zr cast iron buttons.
+ Investigation was interrupted before a spinoff occurred.

Aus dem Vorausgehenden ist ersichtlich, dass die auf den NiAl+Zr-Proben abgeschiedenen Wärmebarrieren-Beschichtungen erheblich beständiger gegen Abspaltung waren als jene, die auf der herkömmlichen Diffusions-PtAl-Bindeschicht abgeschieden wurden. Die Wärmewechselbeanspruchungslebenszeiten, die sich für die NiAl+Zr-Proben ergaben, die mehr als 0,05 Atom% Zirkonium enthielten, waren bei 2075 °F und 2150 °F gegenüber den PtAl-Bindeschichtproben mindestens um den Faktor zwei größer. Vor allem war die Verlängerung der thermischen Lebensdauer unerwartet groß im Falle der Proben, deren NiAl-Bindeschichten 0,1 Atom% Zirkonium enthielten, insbesondere bei 2150 °F, wo diese Proben eine um den Faktor zehn verbesserte Wärmewechselbeanspruchungslebens dauer gegenüber den PtAl-Bindeschichtproben zeigten. Es wird angenommen, dass Verbesserungen hinsichtlich des zur Ausbildung von NiAl+Zr-Bindeschichten verwendeten Beschichtungsprozesses die Wärmewechselbeanspruchungslebensdauer derartiger Beschichtungen gegenüber jener der Knopfproben steigern werden. Während die oben erwähnten NiAl+0,5Zr-Bindeschichtproben eine Wärmewechselbeanspruchungslebensdauer zeigten, die in etwa gleich derjenigen der PtAl-Bindeschicht ist, werden daher durch verbesserte Abscheidungstechniken NiAl+0,05Zr-Bindeschichten erzielt werden, die eine Wärmewechselbeanspruchungslebensdauer zwischen derjenigen der Zr-freien NiAl-Knopfproben und derjenigen der NiAl+0,1Zr-Knopfproben aufweisen. Letztendlich ist zu beachten, dass die NiAl+0,5-Knopfproben eine minimale Lebensdauer zeigten, die nahezu doppelt so lang war, wie diejenige der Zr-freien NiAl-Knöpfe. Während von NiAl+0,5Zr-Bindeschichten erwartet wird, dass sie eine verbesserte Wärmewechselbeanspruchungslebensdauer gegenüber einer Zr-freien NiAl-Bindeschicht zeigen, ist es dementsprechend offensichtlich, dass optimale Ergebnisse mit einem Zirkoniumgehalt von zwischen 0,05 und 0,5 Atom% und wahrscheinlich bei oder nahe 0,1 Atom% erzielt werden. Darüber hinaus zeigten diese Untersuchungen, dass Wärmebarrieren-Beschichtungssysteme, die mit NiAl+Zr-Bindeschichten, und insbesondere mit der NiAl+0,1Zr-Bindeschicht ausgerüstet sind, mit beträchtlichem Vorteil in anspruchsvollen Anwendungen verwendet werden können, wo die Temperaturen 2150°F überschreiten.Out From the foregoing, it can be seen that on the NiAl + Zr samples deposited thermal barrier coatings considerably more stable against cleavage were as those on the conventional diffusion-PtAl bonding layer were separated. The heat cycle life, for themselves NiAl + Zr samples containing more than 0.05 atom% zirconium were at 2075 ° F and 2150 ° F across from the PtAl binding layer samples at least by a factor of two larger. In front all was the extension the thermal life unexpectedly large in the case of samples whose NiAl bonding layers contained 0.1 atom% zirconium, in particular at 2150 ° F, where these samples have a ten-fold improved heat cycle life across from showed the PtAl binding layer samples. It is believed that improvements regarding the formation of NiAl + Zr bonding layers Coating process the heat cycle life such coatings those of the button samples will increase. While the above-mentioned NiAl + 0.5Zr bonding layer samples a heat cycle life which is about the same as that of the PtAl bonding layer are therefore improved deposition techniques achieved NiAl + 0.05Zr bonding layers Be a heat-exchange life between those of the Zr-free NiAl button samples and those have NiAl + 0.1Zr button samples. Finally, it should be noted that the NiAl + 0.5 button samples showed a minimum lifetime, which was nearly twice as long as that of the Zr-free NiAl buttons. While from NiAl + 0,5Zr-bonding layers is expected to have an improved heat cycle life across from a Zr-free Accordingly, it is obvious that NiAl bonding layer that optimum results with a zirconium content of between 0.05 and 0.5 at%, and probably at or near 0.1 at% become. About that In addition, these studies showed that thermal barrier coating systems, those with NiAl + Zr bonding layers, and especially with the NiAl + 0.1Zr bonding layer equipped are, with considerable Advantage in demanding applications can be used where the temperatures exceed 2150 ° F.

Während die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels beschrieben wurde, ist es ersichtlich, dass sich ein Fachmann anderer Ausführungsformen bedienen könnte. Dementsprechend ist der Gegenstand der vorliegenden Er findung lediglich durch die nachfolgenden Ansprüche beschränkt.While the Invention described with reference to a preferred embodiment It has been seen that a person skilled in the art of other embodiments could serve. Accordingly, the subject of the present invention is merely by the following claims limited.

Claims

Component ( 10 ) with a thermal barrier coating system ( 20 ) on its surface, the thermal barrier coating system ( 20 ): a binding layer ( 24 ) obtained by physical vapor deposition on the surface of the component ( 10 ) is deposited by means of a physical vapor deposition technique, wherein the bonding layer ( 24 ) is a predominantly beta-phase binary NiAl alloy containing about 0.1 atomic% zirconium; one above the tie layer ( 24 ) lying heat-insulating ceramic layer ( 26 ); where the component is a diffusion zone ( 30 ) between the binding layer ( 24 ) and the component ( 10 ), whereby the diffusion zone ( 30 ) has a reduced thickness of about 5 μm.

Component ( 10 ) according to claim 1, wherein the binary NiAl alloy contains nickel and aluminum in stoichiometric amounts.

Component ( 10 ) according to claim 1, wherein the thermal barrier coating system ( 20 ) from the binding layer ( 24 ), the ceramic layer ( 26 ) and an oxide layer ( 28 ) exists in between.

Component ( 10 ) according to claim 1, wherein the component ( 10 ) is formed of a superalloy.

Component ( 10 ) according to claim 1, wherein the thermal barrier coating system ( 20 ) further comprises a diffusion barrier layer ( 32 ) between the binding layer ( 24 ) and the component ( 10 ) having.

Component ( 10 ) according to claim 5, wherein the diffusion barrier layer ( 32 ) is selected from the group consisting of a carburized zone in the surface of the component ( 10 ), an AlN layer between the bonding layer ( 24 ) and the component ( 10 ), and an Al-ON layer between the bonding layer ( 24 ) and the component ( 10 ) consists.