DE69903503T2

DE69903503T2 - Erzeugnis mit einer Wärmedämmschicht, welche aus einer phasenstabilen festen Lösung von zwei Metalloxiden besteht, sowie Anlage und Verfahren zur Herstellung

Info

Publication number: DE69903503T2
Application number: DE69903503T
Authority: DE
Inventors: Michael J. Maloney
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: RTX Corp
Priority date: 1998-07-17
Filing date: 1999-07-14
Publication date: 2003-06-05
Anticipated expiration: 2019-07-15
Also published as: EP0972853A1; SG71925A1; KR20000011701A; DE69903503D1; UA63933C2; JP2000160324A; JP2000144388A; EP0972853B1; KR100626777B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft generell Wärmebarrierenbeschichtungen (TBCs - thermal barrier coatings) und betrifft insbesondere Gegenstände mit einer keramischen TBC und Vorrichtungen und Verfahren zum Herstellen derartiger Gegenstände.
Das physikalische Elektronenstrahl-Dampfabscheiden (EB-PVD - electron beam physical vapor desposition) ist ein Verfahren zum Beschichten von Substraten oder anderen Bauteilen mit dünnen Schichten von Beschichtungen mit säulenförmigem Gefüge, und es wird typischerweise in einer abgedichteten Kammer durchgeführt, welche bei einem niedrigen Gasdruck gehalten ist. Das Aufbringen von keramischen TBCs auf Substrate, die aus Superlegierungen hergestellt sind, ist bekannt, beispielsweise aus U.S. Pat. Nr. 4 321 311 an Strangman, welches keramische Wärmebarrierenbeschichtungen mit säulenförmigem Gefüge offenbart; 4 405 659 an Strangman, welches ein Verfahren zum Herstellen von keramischen TBCs mit säulenförmigem Gefüge offenbart; 4 405 660 an Ulion et al., welches ein Verfahren zum Herstellen von Metallgegenständen mit haltbaren keramischen TBCs offenbart; und 5 087 477 an Giggins, Jr., et al., welches ein EB-PVD-Verfahren zum Aufbringen keramischer Beschichtungen offenbart.
Während des EB-PVD trifft ein Elektronenstrahl auf ein Beschichtungstarget, welches in fester Form, beispielsweise als Stab oder Material-Stange vorliegt. Das Target ist in einem gekühlten Schmelztiegel, generell in der Form eines hohlen Zylinders, gehalten. Der Strahl erwärmt das exponierte Ende des Targets und bildet so einen geschmolzenen See aus Targetmaterial. Das Material verdampft, und der Dampf oder das Evaporat füllt die Kammer und kondensiert auf der Oberfläche des Substrats, um die Beschichtung zu bilden. Ein derartiges Target/Beschichtungsmaterial ist mit Yttriumoxid stabilisiertes Zirconoxid (YSZ), welches durch Bestandteile mit ähnlichen Dampfdrücken gekennzeichnet ist. Folglich verdampfen die Bestandteile tendenziell mit ähnlichen Verdampfungsraten, und die Zusammensetzung des sich ergebenden TBC korrespondiert mit der Zusammensetzung des Targets.
Der generelle Zweck von TBCs ist natürlich die Reduzierung von Wärmefluss in das Bauteil und damit der Schutz des Substrats. Bei Flugzeuganwendungen und insbesondere bei den ersten paar Turbinenstufen sind Turbinenlaufschaufeln und -leitschaufeln Gastemperaturen von bis zu 2500 bis 3000ºF (1371 bis 1649ºC) ausgesetzt, was deutlich oberhalb des Schmelzpunkts des darunter liegenden Substrats ist. Das TBC muss deshalb eine niedrige Wärmeleitfähigkeit besitzen, und das Bauteil muss üblicherweise auch gekühlt werden. Das Bereitstellen von Kühlluft an das Bauteil verringert jedoch die Betriebseffizienz der Turbine.
Ein bekanntes Target/Beschichtungsmaterial ist mit Yttriumoxid stabilisiertes Zirconoxid (YSZ), welches durch Bestandteile mit ähnlichen Dampfdrücken gekennzeichnet ist. Folglich verdampfen die Bestandteile tendenziell mit ähnlichen Verdampfungsraten, wenn sie erwärmt werden, und die Zusammensetzung der resultierenden Beschichtung entspricht der Zusammensetzung des Targets. 7YSZ, d. h. YSZ, welches etwa 7 Gew.-% Yttriumoxid aufweist, welches durch EB-PVD aufgebracht wurde, hat eine relativ konstante Wärmeleitfähigkeit von etwa 15 bis 20 Btu-in./(hr-ft²-ºF) oder etwa 2 bis 2,5 W/(m-ºC), zwischen etwa Raumtemperatur und etwa 2200ºF (204ºC). Seine Wärmeleitfähigkeit nimmt tendenziell mit zunehmender Temperatur zu. Obwohl YSZ eine Anzahl von Jahren als ein zufrieden stellendes TBC gedient hat, sind TBCs mit einer niedrigeren Wärmeleitfähigkeit erwünscht.
Ein TBC mit einer niedrigeren Wärmeleitfähigkeit bietet einige Vorteile für Flugzeug- und andere Gasturbinenanwendungen. Eine konstante TBC-Dicke und Gastemperatur vorausgesetzt, sind Laufschaufel/Leitschaufeltemperaturen erniedrigt und dadurch die Laufschaufel/Leitschaufellebensdauer verlängert. Eine konstante Beschichtungsdicke und Metalltemperatur vorausgesetzt, sind höhere Gastemperaturen möglich und so eine Verbesserung des Wirkungsgrads. Eine konstante Gastemperatur und konstante Metalltemperatur vorausgesetzt, können dünnere Beschichtungen verwendet werden, was deutlich den Zug verringert, der von einer rotierenden Laufschaufel ausgeübt wird und ermöglicht die Verwendung von kleineren, leichteren Scheiben und/oder eine erhöhte Kriechlebensdauer. Außerdem erwartet man, dass dünnere Beschichtungen haltbarer sind als dickere Beschichtungen, in dem Maße, als man glaubt, dass Wärmespannungen in den dickeren Beschichtungen zu einem TBC-Versagen beitragen. Variationen des Vorangehenden, beispielsweise die Aufbringung einer etwas dünneren TBC und Betrieb bei einer etwas höheren Gastemperatur, können auch wünschenswert sein.
In einer Anstrengung, TBCs mit verbesserten Eigenschaften zu erzeugen, wie beispielsweise verringerter Wärmeleitfähigkeit, wurden andere Kombinationen von Bestandteilen verwendet. US-Patent Nr. 5 334 462 an Vine et al. beschreibt ein keramisches Isolationsmaterial und eine daraus hergestellt Isolationsbeschichtung, Das Beschichtungsmaterial ist ein mit Yttriumoxid verfestigtes Ceroxid. Die Zugabe einer geringen Menge von Yttriumvxid, z. B. 0,5 Gew.-% (0,5 Gewichtsprozent) härtet signifikant das Ceroxid und liefert ein Material, welches als ein TBC nützlich ist. Man hat vorgeschlagen, dass die vorangehend angemerkten vorteilhaften Effekte des mit Yttriumoxid verfestigten Ceroxids bis zu der Fest-Löslichkeitsgrenze des Yttriumoxids in Ceroxid, die bei etwa 12 Gew.-% Yttriumoxid Liegt, oder sogar drüber, zu treffen.
Testanwendungen dieses Materials, welches durch EB-PVD aufgebracht wurde, wobei eine unitäre, massive Quelle von Yttriumoxid- und Ceroxid- Targetmaterial verwendet wurde, haben angezeigt, dass EB-PVD keine TBCs mit einem mit dem Target vergleichbaren Prozentsatz von Yttriumoxid Liefert. Man glaubt, dass in Folge des deutlich höheren Dampfdrucks des Ceroxids, verglichen mit Yttriumoxid, das sich ergebende TBC notwendigerweise einen deutlich geringeren Prozentsatz an Yttriumoxid hat als das Target. Wie bei Vine et al. angegeben, führt ein Target mit 9 Gew.-% Yttriumoxid zu einem TBC mit nur 0,5 Gew.-% Yttriumoxid bei Verwendung der vorangehend beschriebenen EB-PVD-Verfahren. Außerdem tendieren massive Targets in Form einer einzigen Quelle aus Bestandteilen, die nicht mischbar sind, zu einer Rissbildung während des Aufheizens in Folge der Wärmegradienten, die zwischen den zwei unterschiedlichen Bestandteilen ausgebildet werden.
Außerdem ist es bevorzugt, dass TBCs auch eine Erosionsbeständigkeit zeigen.
Es ist ein generelles Ziel der vorliegenden Erfindung, einen Gegenstand mit einer verbesserten keramischen TBC bereitzustellen.
Es ist auch ein generelles Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Herstellen von Mischungen von zwei oder mehr Evaporaten zur Bildung von TBCs bereitzustellen.
Es ist ein spezielleres Ziel der Erfindung, zumindest in ihren bevorzugten Ausführungsformen, ein TBC mit einer niedrigeren Wärmeleitfähigkeit als bekannte TBCs bereitzustellen.
Es ist ein spezielleres Ziel der Erfindung, zumindest in ihren bevorzugten Ausführungsformen, eine Vorrichtung, die fähig ist zum, und ein Verfahren zum Einstellen der Mengen der Bestandteile in dem Dampffluss bereitzustellen und damit die Zusammensetzung des TBC einzustellen.
Es ist ein weiteres spezielleres Ziel der Erfindung, zumindest in ihren bevorzugten Ausführungsformen, ein TBC bereitzustellen, welches aus Materialien mit deutlich unterschiedlichen Dampfdrücken zusammengesetzt ist, z. B. Yttriumoxid und Ceroxid, und eine Vorrichtung und ein Verfahren bereitzustellen, um damit ein TBC herzustellen.
Gemäß einem ersten Aspekt liefert die Erfindung einen Superlegierungsgegenstand, wie er in Anspruch 1 beansprucht ist.
Gemäß einem zweiten Aspekt liefert die Erfindung einen Superlegierungsgegenstand, wie er in Anspruch 2 beansprucht ist.
Der Gegenstand kann eine keramische Verbindungsbeschichtung, beispielsweise eine Schicht von mit Yttriumoxid verfestigtem Zirconoxid, zwischen der Aluminiumoxidschicht und der Barrierenbeschichtung aufweisen.
Die Erfindung erstreckt sich auch auf eine Vorrichtung zum Erzeugen eines TBC auf einem Gegenstand. JP 57 161061 beschreibt einen Schmelztiegel zum Verdampfen von Metallen zur Verwendung beim Herstellen von Magnetaufzeichnungsmedien. Die vorliegende Erfindung liefert gemäß einem weiteren breiten Aspekt eine Vorrichtung, wie sie im Anspruch 9 beansprucht ist.
Die vorliegende Erfindung erstreckt sich auch auf ein Verfahren zum Erzeugen einer thermisch isolierenden Keramikbeschichtung auf einem Gegenstand, wie es in Anspruch 14 beansprucht ist.
Einige bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nun beispielhaft mit Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, für die gilt:
Fig. 1 ist eine Zeichnung entlang einer Schnittlinie eines Gegenstands mit einer TBC gemäß der vorliegenden Erfindung.
Fig. 2 ist eine schematische Ansicht einer Vorrichtung, aufweisend einen Schmelztiegel zum Erzeugen eines TBC gemäß der vorliegenden Erfindung.
Fig. 3a und 3b sind zusätzliche Ansichten des Schmelztiegels der Fig. 2.
Fig. 4 ist ein Teil eines Phasendiagramms von Yttriumoxid und Ceroxid.
Wenden wir uns nun Fig. 1 zu, die keine maßstäbliche Zeichnung ist. Ein Teil eines Gegenstands gemäß der vorliegenden Erfindung ist generell mit dem Bezugszeichen 10 gezeigt. Der Gegenstand hat eine Metallverbindungsbeschichtung sowie eine neue Wärmebarrierenbeschichtung (TBC). US Pat. Nr. 4 405 659 an Strangman, 5 087 477 an Giggins et al. und 5 514 482 an Strangman beschreiben generell die Aufbringung einer Metallverbindungsbeschichtung und eines TBC auf einen Gegenstand, beispielsweise einen luftgekühlten Turbinengegenstand aus einem Superlegierungsmaterial.
Ein Substrat 12, beispielsweise ein Superlegierungssubstrat, wird mit einer Schicht 14 aus MCrAlY, Zwischenmetallaluminid oder einem anderen geeigneten Material beschichtet, welches als eine metallische Verbindungsbeschichtung (falls erforderlich) zwischen dem Metallsubstrat und dem TBC dient. Vorzugsweise - wenngleich nicht notwendigerweise - ist die Dicke der Schicht 14 zwischen etwa 2 bis 10 Mils (0,05 bis 0,25 mm), und vorzugsweise ist sie gleichförmig. Die Schicht kann auch behandelt werden, z. B. durch Hämmern (peening), Polieren und/oder Wärmebehandlung, um sämtliche Leerstellen zu verdichten und die Struktur der Beschichtung und deren Anhaftung an dem Substrat zu verbessern. Eine dünne Aluminiumoxidschicht 16 ist auf der metallischen Verbindungsschicht 14 gebildet, obwohl die Aluminiumoxidschicht nach der Aufbringung des TBC gebildet werden kann. Abhängig von dem speziellen Material, welches für das Substrat verwendet wird, kann die Aluminiumoxidschicht direkt auf dem Substrat gebildet werden, so dass die Aufbringung einer separaten Metallverbindungsbeschichtung nicht erforderlich ist Siehe beispielsweise US-Pat. Nr. 4 719 080 an Duhl und 5 262 245 an Ulion et al. Die TBC 18 wird dann auf der Aluminiumoxidschicht abgeschieden, beispielsweise durch physikalische Elektronenstrahl-Dampfabscheidung (EB- PVD) oder mit einem anderen geeigneten Verfahren. Strangman in '659 und Giggins et al. in '477 beschreiben TBCs, die aus mit Yttriumoxid stabilisiertem Zirkonoxid zusammengesetzt sind (YSZ). Obwohl die vorliegende Erfindung besondere Nützlichkeit zum Erzeugen einer TBC aus Targetmaterial mit unterschiedlichen Dampfdrücken hat, wie beispielsweise Yttriumoxid und Ceroxid, kann die vorliegende Erfindung ebenso mit anderen Materialien verwendet werden, einschließlich Materialien, die ähnliche Dampfdrücke haben.
Wie in US-Pat. Nr. 5 334 362 an Vine et al. angegeben, führt die Zugabe von geringen Mengen an Yttriumoxid zu Ceroxid zu einem Material mit wünschenswerten Eigenschaften, beispielsweise erhöhter Härte. Vine suggeriert, dass die wünschenswerten Eigenschaften produziert werden, wo Ceroxid bis zu etwa 5 Gew.-% (Gewichtsprozent) von Yttriumoxid hat. Vine merkt auch an, dass, wo Yttriumoxid und Ceroxid durch EB-PVD abgeschieden werden, die Zusammensetzung des Targets generell nicht mit der Zusammensetzung des sich ergebenden TBC korrespondiert. Als Beispiel führte ein Target mit etwa 9 Gew.-% Yttriumoxid zu einem TBC mit nur etwa 0,5 Gew.-% Yttriumoxid. Folglich suggeriert der Stand der Technik, dass es nicht möglich ist, kontinuierlich den Yttriumoxidgehalt des sich ergebenden TBC lediglich durch ein Erhöhen des Yttriumoxidgehalts des Targets zu erhöhen, besonders dort, wo das TBC unter Verwendung von EB-PVD hergestellt wird.
Generell verwendet die vorliegende Erfindung das unabhängige Verdampfen von physikalisch separaten Targetmaterialien, um eine Mischung von Evaporaten zu erzeugen und eine Einstellung der Zusammensetzung der sich ergebenden TBCs zu ermöglichen. Wo eines der Targetmaterialien einen Dampfdruck deutlich niedriger als das andere Material (die anderen Materialien) hat, ist es möglich, die relativen Mengen der verdampften Materialien einzustellen und so die Zusammensetzung des sich ergebenden TBC wie gewünscht einzustellen. Beispielsweise erlaubt die vorliegende Erfindung, wo Yttriumoxid und Ceroxid als ein TBC unter Verwendung von EB-PVD aufgebracht werden sollen, die Erzeugung eines TBC mit einem Yttriumoxidgehalt, der beträchtlich höher ist, als was verglichen mit dem Stand der Technik möglich war.
Wenden wir uns nun der Fig. 2 zu. Eine Vorrichtung 20 ist gezeigt, für das Verwenden von EB-PVD zum Erzeugen eines TBC aus zwei Targetmaterialien, beispielsweise einem mit Yttriumoxid verfestigten Ceroxid-TBC mit einem relativ hohen Yttriumoxidgehalt. Eine andere Vorrichtung, andere Aufbringungsverfahren wie beispielsweise Sputtern und andere Materialien können auch bei der Erfindung verwendet werden. Bei dem gezeigten Fall sind Teile der Vorrichtung 20 ähnlich zu der Vorrichtung, die in US-Pat. Nr. 5 087 477 an Giggins et al. mit dem Titel "EB-PVD Method For Applying Ceramic Coatings" gezeigten und beschriebenen ist. Die Vorrichtung 20 weist eine abgedichtete Beschichtungskammer 22 auf, welche durch Wände 24, 24 und eine Einrichtung 26, beispielsweise eine Unterdruckeinheit zum Evakuieren der Kammer, definiert ist. Mindestens eine Einrichtung, beispielsweise die Elektronenstrahlkanone 28, ist zum Erwärmen und Verdampfen von irgendwelchen Targetmaterialien, die in einem Schmelztiegel 30 enthalten sind, der sich deutlich von Schmelztiegeln des Stands der Technik unterscheidet, vorgesehen.
Ein zu beschichtendes Teil 10 ist in beabstandeter Relation zu dem Target gehalten und kann bezüglich des Targets bewegt oder sonstwie manipuliert werden, wie das auf dem Technikgebiet bekannt ist. Die Kanone 28 weist einen eingebauten Magnetfeldgenerator (nicht gezeigt) zum Ablenken eines von der Kanone erzeugten Strahls 29 auf, wie es in dem Technikgebiet bekannt ist. Im Stand der Technik wird eine derartige Ablenkung verwendet, um den Strahl über das Targetmaterial, welches typischerweise eine zylinderförmige Gestalt hat und bis zu etwa 75 mm (3") Durchmesser hat, zu scannen. Der Schmelztiegel 30 unterscheidet sich signifikant von dem Stand der Technik, und er ist auf einem Drehteller 32 positioniert, der den Schmelztiegel dreht, um Targetmaterial in den Weg des Strahls zu transportieren, wo das Targetmaterial verdampft wird, wie nachfolgend beschrieben. Der Drehteller wird von einem Motor 35, wie durch den Pfeil 33 angezeigt, unter Anleitung einer Steuereinheit 36 in der nachfolgend beschriebenen Weise gedreht. Obwohl eine Vielzahl von Abständen zwischen Target und Substrat verwendet werden können, um eine zufrieden stellende TBC zu erzeugen, haben wir einen Abstand von etwa 3,5" (88 mm) verwendet.
Der Schmelztiegel 30 ist in der Fig. 3a und 3b detaillierter gezeigt. Der Schmelztiegel ist vorzugsweise aus Kupfer hergestellt und ist, wie in dem Technikgebiet bekannt, flüssigkeitsgekühlt. Flüssigkeit, beispielsweise Wasser, wird durch Kühlpassagen 37 geleitet, die in dem Schmelztiegel vorgesehen sind.
Abweichend von den Schmelztiegeln des Stands der Technik, liefert der Schmelztiegel der vorliegenden Erfindung zwei oder mehr Targetmaterialien separat voneinander. Bei der bevorzugten Ausführungsform ist der Schmelztiegel scheibenförmig und definiert ein Paar von Kanälen 34, 36, obwohl mehr Kanäle vorgesehen sein können. Die Kanäle nehmen separate oder physikalisch unterschiedliche Bestandteile des TBC auf und sind körperlich voneinander getrennt, aber einander benachbart. In dem gezeigten Beispiel enthält ein Kanal 34 Yttriumoxid, und der andere Kanal 36 enthält Ceroxid.
Falls gewünscht, könnten zusätzliche Kanäle vorgesehen sein, oder die Bestandteile könnten Mengen anderer Oxide, einschließlich - aber nicht beschränkt auf - Zirconoxid, Hafniumoxid, Lanthanoxid, Calciumoxid und Scandiumoxid enthalten. Das Verdampfen und das anschließende Kondensieren dieser Materialien auf einem Substrat werden zu einem TBC führen, welches durch eine begrenzte Substitution dieser anderen Oxide für Yttriumoxid und/oder Ceroxid an dem Kationenuntergitter gekennzeichnet ist, was andere wünschenswerte Eigenschaften in dem TBC hervorrufen kann.
Man glaubt, dass die speziellen Abmessungen des Schmelztiegels für die Erfindung nicht kritisch sind. Die Kanäle sollten voneinander ausreichend getrennt sein, so dass die Bestandteile unabhängig voneinander verdampft werden können. Die Kanäle sollten in ausreichend enger Nähe sein, dass die verdampften Materialien eine homogene Mischung vor dem Kondensieren auf dem Gegenstand bilden können. Die Kanäle sind vorzugsweise, jedoch nicht notwendigerweise, gekrümmt (besonders bevorzugt kreisförmig) und konzentrisch, um einen kontinuierlichen Förderweg zu dem Strahl zu bilden, während der Drehteller gedreht wird. Der gezeigte Schmelztiegel 32 hat eine Dicke T von etwa 1,5" (38 mm), und die Kanäle sind jeweils etwa 1" tief und von geneigten Wänden 38, 40 und 42, 44 begrenzt. Der Bodenbereich der Wände 38, 40 und 42, 44 eines vorgegebenen Kanals ist von einem anderen um etwa 0,5" (13 mm) getrennt, und der obere Bereich der Wand 38 von einem Kanal ist von dem benachbarten Wandbereich 44 des anderen Kanals etwa 0,25" (6 mm) getrennt. Falls benötigt, wird Targetmaterial kontinuierlich der Kanälen durch Vorratsbehälter 46, 48 des entsprechenden Bestandteil-Materials zugeführt, die von dort, wo das Material verdampft wird, entfernt angeordnet sind.
Wie vorangehend angegeben, sind das Yttriumoxid und das Ceroxid in separaten Kanälen bereitgestellt, und sind als "Schotter" oder "Schüttung" bereitgestellt vorzugsweise mit einer Partikelgröße von mindestens etwa 2 mm und bevorzugter etwa 3 bis 5 mm. Groberes Material kann auch verwendet werden. Wenn feineres Material verwendet wurde, wurden die kleineren Teilchen tendenziell während des Verdampfens von benachbartem Material aus dem Kanal verlagert, z. B. die kleineren Teilchen werden tendenziell aus dem Kanal ausgeblasen, bevor sie verdampft werden. Folglich werden Teilchen kleiner als etwa 2 mm und vorzugsweise etwa 3 mm generell nicht verwendet. Wie vorangehend angegeben, kann zusätzliches Yttriumoxid und Ceroxid dem Schmelztiegel durch Vorratsbehälter 46, 48 oder eine andere geeignete Einrichtung zugeführt werden.
Nachdem die Vorrichtung beschrieben wurde, wird nun der Betrieb der Vorrichtung beschrieben. Es wird auf die Fig. 2 Bezug genommen. Das zu beschichtende Teil 10 wurde hergestellt, eine metallische Verbindungsbeschichtung 14 (Fig. 1) wurde aufgebracht (falls geeignet), und die Aluminiumoxidschicht 16 wurde, wie in dem Technikgebiet bekannt, gebildet.
Das Teil 10 wird in der Kammer 22 angeordnet, und die Kammer wird auf einen für die Aufbringung des TBC geeigneten Druck, typischerweise weniger als etwa 10&supmin;&sup4; Torr, evakuiert. Das TBC wird dann beispielsweise durch EB-PVD aufgebracht. Unabhängig davon, wie das TBC aufgebracht wird, glaubt man, dass es wichtig ist, die Substrattemperatur während der Aufbringung des TBC zu kontrollieren.
Wo YSZ oder YsCeO&sub2; durch EB-PVD aufgebracht wird, sollte die Substrattemperatur mindestens etwa 950ºC oder 1750ºF betragen, obwohl die tatsächliche Temperatur je nach Material und den Betriebsparametern der Ausrüstung variieren kann. Das Substrat wird anfangs entweder durch die Kanone oder durch die Verwendung von externen Heizeinrichtungen (nicht gezeigt) erwärmt, und Wärme wird auch indirekt durch die Kanone während des Verdampfens des Targets dem Substrat zugeführt, um die Substrattemperatur beizubehalten.
Testproben von mit Yttriumoxid verfestigtem Ceroxid (YsCeO&sub2;) haben ein relativ schlechtes Anhaften des TBC an der Aluminiumoxidschicht gezeigt, wo das Substrat während der TBC-Aufbringung nicht ausreichend erwärmt wurde. Die Tests haben auch gezeigt, dass die während des Verdampfens von Yttriumoxid und Ceroxid durch EB-PVD erzeugte Wärme nicht ausreicht, um eine korrekte Substrattemperatur beizubehalten. Folglich sollten zusätzliche Heizeinrichtungen verwendet werden.
Wir haben herausgefunden, dass das Aufbringen einer dünnen Schicht eines Keramikmaterials, beispielsweise YSZ auf die Aluminiumoxidschicht vor dem Aufbringen des Yttriumoxids und des Ceroxids eine geeignete Haftschicht oder keramische Verbindungsbeschichtung für die mit Yttriumoxid verfestigte Ceroxidschicht liefert, selbst wenn zusätzliche, externe Heizeinrichtungen zum Erwärmen des Substrats während des Aufbringens des Yttriumoxids und Ceroxids nicht verwendet wurden oder wenn die geeignete Substrattemperatur anders nicht beibehalten wurde.
In der Fig. 1 ist die keramische Verbindungsbeschichtungsschicht mit unterbrochenen Linien bei 17 gezeigt. In einem Test war die Schicht aus 7YSZ, welches durch EB-PVD aufgebracht wurde, gebildet und war etwa 0,5 Mils (0,01 mm) dick, obwohl die Schicht eine andere Dicke, z. B. bis zu einigen Mils, haben kann. Die keramische Verbindungsbeschichtung sollte dick genug sein, um sicherzustellen, dass die Aluminiumoxidschicht ausreichend vollständig abgedeckt ist. Jedoch sollte, wo die keramische Verbindungsbeschichtung auf einem rotierenden Teil, beispielsweise einer Turbinenlaufschaufel, verwendet wird, die Schicht nicht dicker als zur Bewirkung dieses Zwecks erforderlich sein, da diese zusätzliche Schicht zu signifikantem Zug an der Laufschaufel beiträgt. Man glaubt, dass Sputtern auch eine zufrieden stellende YSZ keramische Verbindungsbeschichtungsschicht liefern wird. Eine mikroskopische Untersuchung von Proben, welche die YSZ-Schicht aufweisen, hat gezeigt, dass ein epitaxiales Wachstum über Korngrenzen zwischen dem YSZ und dem mit Yttriumoxid verfestigten Ceroxid stattfindet. Außerdem bietet die YSZ-Schicht einigen Wärmewiderstand für den Fall, dass die äußere TBC versagt.
Um eine TBC unter Verwendung einer Mischung von zwei getrennten Bestandteilen aufzubringen, muss jeder der Bestandteile erwärmt und verdampft werden. In dem gezeigten Fall wird nur eine einzige Elektronenstrahlkanone verwendet und weist einen eingebauten variablen Magnetfeldgenerator zum Ablenken des Strahls auf, wie in dem Technikgebiet bekannt. Ein externer Magnetfeldgenerator kann für den Fall verwendet werden, dass die Kanone keinen eingebauten Magnetfeldgenerator aufweist, oder wenn dem eingebauten Magnetfeldgenerator die gewünschte Betriebseigenschaften fehlen. Im Stand der Technik wird eine derartige Ablenkung verwendet, um gleichförmiger ein konventionelles Target zu erwärmen.
Es wird auf die Fig. 2 und 3b Bezug genommen. Der Strahl 29 wird zwischen den Kanälen 34 und 36 hin und her gewechselt, um jedes der Targetmaterialien zu verdampfen. Die Wechselgeschwindigkeit muss langsam genug sein, um zu erlauben, dass der Strahl auf das Targetmaterial trifft und dieses verdampft, aber schnell genug sein, um sicherzustellen, dass beide Bestandteile gleichzeitig in Dampfform in der Kammer 22 vorliegen. Wir glauben nicht, dass der Strahl zu schnell gewechselt werden kann, abgesehen von Beschränkungen der Gerätschaften. Wenn nur ein Bestandteil als Dampf zu einer vorliegenden Zeit vorkommt ist das sich ergebende TBC durch diskrete Schichten aus Targetmaterial gekennzeichnet. Der Begriff Wechselvorgang oder "Scan" beinhaltet so wie er hier verwendet wird, einen Bewegungsweg des Strahls von einem Startpunkt und über ein Bestandteil in einem Kanal hinweg, die Verlagerung des Strahls zu dem anderen Kanal, über einen anderen Bestandteil in dem anderen Kanal hinweg, zurück über den anderen Bestandteil hinweg und dann zurück über den einen Bestandteil hinweg. Wir glauben, dass es bevorzugt ist, den Strahl lieber schneller als langsamer zu wechseln, z. B. mindestens dreimal pro Sekunde und vorzugsweise mindestens etwa zehnmal pro Sekunde.
Die Zeit während der Strahl auf das Targetmaterial trifft, d. h. die Verweilzeit des Strahls, ist wichtig. Eine längere Verweilzeit auf dem Material führt dem Target mehr Wärme zu und verdampft so mehr des Targets, als es eine kürzere Verweilzeit tut. Die Verweilzeit auf jedem Target kann basierend zum Teil auf den relativen Dampfdrücken des Targets sowie der gewünschten TBC-Zusammensetzung eingestellt werden, d. h. der Strahl verweilt länger auf einem Material, wenn es erwünscht ist den Gehalt dieses Materials in dem TBC zu erhöhen.
Wenn der Strahl gewechselt wird, rotiert der Drehteller 32. Die Rotation ist schnell genug, um kontinuierlich zu verdampfendes Materialbereitzustellen, aber langsam genug, um zu ermöglichen, dass der Strahl wiederholt auf das Material auftrifft und es verdampft. Für das vorangehend beschriebene Material und den vorangehend beschriebenen Schmelztiegel ist die bevorzugte Rotationsgeschwindigkeit etwa 3 Umdrehungen pro Minute oder weniger. Die Partikelgröße wird auch die Geschwindigkeit beeinflussen, mit der der Drehteller gedreht wird, wobei größere Teilchen generell eine langsamere Rotation des Drehtellers erfordern. Das Wechseln des Strahls während des Drehens des Schmelztiegels hilft auch, ein Verdampfen des Schmelztiegelmaterials zu verhindern, da der Strahl nicht wiederholt auf irgendeinem Teil des Schmelztiegels eine signifikante Zeitdauer verweilen wird. Beide Targetmaterialien liegen in Dampfform vor, so dass die Dämpfe gleichmäßig vermischt werden, d. h. die Dämpfe bilden eine generell homogene Mischung vor dem Kondensieren auf dem Teil und vor dem Ausbilden der TBC-Schicht 18 (Fig. 1).
Fig. 4 zeigt ein teilweises Phasendiagramm für Yttriumoxid und Ceroxid. Wie in dem Diagramm angegeben, existieren Yttriumoxid und Ceroxid mit bis zu etwa 12 Gew.-% (äquivalent zu etwa 9,4 Mol-%) YsCeO&sub2; als eine einzige Phase und ist bis mindestens etwa 2700ºF (1482ºC) stabil. Man glaubt dass das Verfahren der vorliegenden Erfindung TBCs mit wesentlich höherem Yttriumoxidgehalt, z. B. größer als 12 Gew.-% Yttriumoxid herstellen kann und dass derartige TBCs auch als TBCs ihren Nutzen haben, selbst wenn das Material mehrere Phasen beinhalten kann. Wie in der Fig. 4 gezeigt, geht man davon aus, dass ein derartiges TBC mehr als eine Phase aufweist.
Die thermische Leitfähigkeit von säulenförmigem YsCeO&sub2; nimmt mit zunehmender Temperatur zumindest in dem Bereich von zwischen etwa 60 bis 2200+ºF (16-1204ºC) ab. Mit anderen Worten nimmt die Wärmeleitfähigkeit von YsCeO&sub2; insbesondere von 9 YsCeO&sub2; tatsächlich signifikant über diesen Temperaturbereich von weniger als etwa 2,5 W/(mºC) bei Raumtemperatur auf weniger als etwa 1,0 über 2000ºF (1093ºC) ab. Ein erhöhter Yttriumoxidgehalt von YsCeO&sub2; liefert weitere Abnahmen bei der Wärmeleitfähigkeit. Wir haben Proben von 50 YsCeO&sub2; (aufweisend 50 Gew.-% Yttriumoxid und 50 Gew.-% Ceroxid) getestet was durch EB-PVD aufgebracht wurde, mit günstigen Ergebnissen. Die Proben hatten eine Wärmeleitfähigkeit von zwischen etwa 1,13 bis 1.75 W/mK bei Raumtemperatur und nahmen auf zwischen etwa 0,73 bis 0,95 W/mK bei etwa 2200ºF (1204ºC) ab. Obwohl wir die Verwendung von YsCeO&sub2; mit mehr als etwa 60 Gew.-% Ce nicht vorsehen, schließen wir die Verwendung von höheren Ceroxidkonzentrationen nicht aus. Obwohl YsCeO&sub2; etwas dichter als YSZ ist, etwa 10 bis 15% dichter, ist die Wärmeleitfähigkeit von YsCeO&sub2; typischerweise geringer als etwa 1/2 Mal der von YSZ.
Im Gegensatz dazu hat eine Probe von 7 Gew.-% YSZ eine generell konstante Wärmeleitfähigkeit von bis zu etwa 2,3 W/(mºC) über den gleichen Temperaturbereich. Wie vorangehend mit Bezugnahme auf die Fig. 4 angemerkt, hat YsCeO&sub2; mit bis zu mindestens etwa 12 Gew.-% Yttriumoxid auch generell eine größere Phasenstabilität als YSZ über die Temperaturen, die in Gasturbinenanwendungen auftreten.
Außerdem haben Tests, die unter Verwendung von YSZ durchgeführt wurden, gezeigt, dass mit der Zunahme von Yttriumoxid die Erosionswiderstandsfähigkeit des Materials abnimmt. In einem Test wurden Proben von YSZ mit 7,12 und 20 Gew.-% Yttriumoxid Erosionstests unter Verwendung von 27 um Aluminiumoxidteilchen mit 800 Fuß/s (244 m/s&supmin;¹) und 2000ºF (1204ºC) ausgesetzt. Die Erosionsrate nahm von den 7 YSZ- zu den 12 YSZ-Proben zu und stieg dramatisch von den 12 YSZ- zu den 20 YSZ-Proben.
Tests indizieren, dass die Zugabe von etwas Yttriumoxid die Erosionswiderstandsfähigkeit von Ceroxid erhöht. Überraschenderweise erhöht die Zugabe von mehr Yttriumoxid zu Ceroxid weiter die Erosionsbeständigkeit im Gegensatz zu dem vorangehend angezeigten Trend für das Erhöhen des Yttriumoxidgehaits in YSZ. Diese Tests indizieren auch, dass die Proben von 7YsCeO&sub2; weniger erosionsbeständig sind als 7YSZ, aber erosionsbeständiger als 20YSZ, und folglich erwarten wir auch, dass YsCeO&sub2; auch als ein abradierbares Material nützlich ist, z. B. in einer Triebwerksluftdichtung und durch ein Plasmasprühverfahren oder ein anderes geeignetes Wärmesprühverfahren aufgebracht werden kann. Außerdem folgt der Wärmeausdehnungskoeffizient von mit Yttriumoxid verfestigtem Ceroxid enger der Ausdehnung von Superlegierungen auf Nickelbasis, z. B. dem Substrat, als es YSZ tut. Folglich erwartet man, dass ein Abplatzen in Folge von unterschiedlichen Ausdehnungsgeschwindigkeiten verringert sein wird, insbesondere dort, wo eine dünnere TBC aufgebracht wird. Tests bestätigen, dass eine YsCeO&sub2; TBC, entweder direkt auf eine Aluminiumoxidschicht bei einer ausreichend hohen Substrattemperatur aufgebracht oder auf eine YSZ-Zwischenschicht aufgebracht, einem Abplatzen mindestens so gut wie ZYSZ widersteht.
Obwohl die vorliegende Erfindung vorangehend detailliert beschrieben wurde, können zahlreiche Variationen und Austauschungen vorgenommen werden, ohne von dem Umfang der Erfindung abzuweichen. Beispielsweise kann der Gewichtsprozentsatz eines Materials über die Dicke der Beschichtung einen Gradienten aufweisen, z. B. eine größere Yttriumoxidkonzentration der exponierten Oberfläche des TBC benachbart und eine größere Konzentration von Ceroxid dem Substrat benachbart haben.

Claims

1. Superlegierungsgegenstand, aufweisend:

ein Superlegierungssubstrat (12);

eine anhaftende Aluminiumoxidschicht (16) auf der Substratoberfläche; und

eine Schicht aus Material, welche eine Wärmebarrierenbeschichtung (18) über der Aluminiumoxidschicht bildet, wobei die so abgeschiedene Beschichtung (18) aus einer festen Lösung von Yttriumoxid und Ceroxid mit mindestens 12 Gew.-% Yttriumoxid besteht.

2. Superlegierungsgegenstand, aufweisend:

ein Superlegierungssubstrat (12);

eine anhaftende Aluminiumoxidschicht (16) auf der Substratoberfläche; und

eine keramische Wärmebarrierenbeschichtung (18) mit säulenförmigem Gefüge auf der Aluminiumoxidschicht (16), wobei die Beschichtung (18) aus einer generell homogenen Mischung von Yttriumoxid und Ceroxid mit mindestens etwa 12 Gew.-% Yttriumoxid zusammengesetzt ist.

3. Gegenstand nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Beschichtung (18) zwischen etwa 12 Gew.-% bis 60 Gew.-% Yttriumoxid aufweist.

4. Gegenstand nach einem der vorangehenden Ansprüche, ferner aufweisend: eine keramische Verbindungszwischenbeschichtung (17) auf der Aluminiumoxidschicht (16), wobei die Wärmebarrierenbeschichtung (18) über der keramischen Verbindungszwischenbeschichtung aufgebracht ist.

5. Gegenstand nach Anspruch 4, wobei die Zwischenschicht (17) aus Keramik aus stabilisiertem Zirconoxid gebildet ist.

6. Gegenstand nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei sich die Zusammensetzung über ihre Dicke ändert.

7. Triebwerksluftdichtung, aufweisend einen Gegenstand nach einem der vorangehenden Ansprüche.

8. Vorrichtung zum Erzeugen einer haltbaren keramischen Wärmebarrierenbeschichtung (18) auf einem Superlegierungsgegenstand, wobei die Vorrichtung aufweist:

einen Schmelztiegel (30), der mindestens zwei separate Aufnahmen (34, 36) zum separat voneinander Bereitstellen von mindestens zwei keramischen Targetmaterialien für die Beschichtung (18) definiert; und

Mittel (24) zum Erwärmen und Verdampfen von zwei Targetmaterialien in den separaten Aufnahmen, um ein erstes und ein zweites Evaporat zu bilden, wobei das erste und das zweite Evaporat vor dem Kondensieren auf einen Gegenstand eine Mischung bilden bilden, wobei die Mittel (28) zum Erwärmen und Verdampfen einen Elektronenstrahl und Mittel zum Wechseln des Strahls zwischen einer ersten Position, in der der Strahl in Richtung auf eine der Aufnahmen (34) gerichtet ist um auf ein in dieser Aufnahme angeordnetes Targetmaterial zu treffen, und einer zweiten Position, in der der Strahl auf eine andere Aufnahme (36) gerichtet ist um auf ein anderes in der anderen Aufnahme angeordnetes Targetmaterial zu treffen.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei der Schmelztiegel (30) mindestens zwei ringförmige Kanäle (34, 36) als die Aufnahmen zum Aufnehmen von Targetmaterial bereitstellt.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, ferner aufweisend:

eine Beschichtungskammer (22);

wobei der Schmelztiegel (32) in der Beschichtungskammer (22) positioniert ist, und mindestens zwei voneinander getrennte Kanäle (34, 36) für Targetmaterialien für die Beschichtung definiert,

wobei die Kanäle (34, 36) in beabstandeter Relation positioniert sind, um zu ermöglichen, dass das erste und das zweite Evaporat eine im Wesentlichen homogene Dampfmischung vor dem Kondensieren auf einem Gegenstand in der Kammer (20) bilden.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei der Schmelztiegel (32) scheibenförmig ist und konzentrische, gebogene Aufnahmen (34, 36) definiert und ferner aufweist: eine Einrichtung (35) zum Drehen des Schmelztiegels, um kontinuierlich kontinuierliche Zuführwege für die Targetmaterialien zu schaffen.

12. Verfahren zum Erzeugen einer keramischen, wärmeisolierenden Beschichtung auf einem Gegenstand, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:

Bereitstellen eines ersten keramischen Targetmaterials und eines zweiten keramischen Targetmaterials in einer abgedichteten Kammer (22), wobei das erste und das zweite Targetmaterial separat voneinander und in beabstandeter Beziehung zu einem zu beschichtenden Gegenstand (10) vorgesehen sind;

Verdampfen des ersten Targetmaterials und des zweiten Targetmaterials und Erzeugen eines Dampfflusses der Evaporate durch das Auftreffenlassen eines Elektronenstrahls auf die Targetmaterialien und Verdampfen der Targetmaterialien unabhängig voneinander durch das Wechseln eines Elektronenstrahls zwischen dem ersten Target und dem zweiten Target; und

Kondensieren des Flusses des ersten Evaporats und des zweiten Evaporats auf dem Gegenstand.

13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei mehr Wärme einem der Targetmaterialien als dem anderen Targetmaterial zugeführt wird.

14. Verfahren nach Anspruch 12, wobei der Strahl so gewechselt wird, dass er auf eines der Targetmaterialien für eine längere Dauer trifft als auf das andere der Targetmaterialien.

15. Verfahren nach Anspruch 12, wobei die Targetmaterialien Yttriumoxid und Ceroxid aufweisen.

16. Verfahren nach Anspruch 15, wobei der Elektronenstrahl auf das Yttriumoxid länger trifft als auf das Ceroxid.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 16, wobei die Targetmaterialien als eine Schüttung mit einer Partikelgröße von mindestens etwa 2 mm bereitgestellt werden.

18. Verfahren nach Anspruch 17, wobei die Targetmaterialien als eine Schüttung mit einer Partikelgröße von zwischen etwa 3 bis 5 mm bereitgestellt werden.

19. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 18, wobei der Elektronenstrahl zwischen dem ersten Target und dem zweiten Target mindestens drei Mal pro Sekunde gewechselt wird.

20. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 19, wobei das erste und das zweite Target auf separaten endlosen Zuführwegen bereitgestellt werden.

21. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 20, ferner aufweisend den Schritt des Erzeugens einer Zwischenschicht (17) aus Keramikmaterial auf dem Gegenstand (10) vor dem Schritt des Verdampfens.

22. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 21, wobei das erste und das zweite Targetmaterial verdampft werden und kondensiert werden, um eine Beschichtung (18) auf dem Gegenstand zu erzeugen, die aus Yttriumoxid und Ceroxid mit mindestens etwa 3 Gew.-% Yttriumoxid zusammengesetzt ist.

23. Verfahren nach Anspruch 22, wobei die Beschichtung (18) zwischen etwa 5 bis 12 Gew.-% Yttriumoxid aufweist.