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Die
Erfindung bezieht sich auf metallische Gegenstände mit einem Überzugs-
bzw. Beschichtungssystem darauf, um die Verwendung bei erhöhten Temperaturen
zu gestatten und insbesondere auf einen modifizierten Platin-Aluminiumüberzug,
der als ein Umgebungsüberzug
oder als der Bindungsüberzug
in einem thermischen Trennüberzugssystem
dienen kann.
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In
einem Flugzeug-Gasturbinen-(Strahl)Triebwerk wird Luft in die Vorderseite
von dem Triebwerk eingezogen, durch einen auf der Welle angebrachten
Verdichter verdichtet und mit Brennstoff gemischt. Das Gemisch wird
verbrannt, und die entstehenden heißen Abgase werden durch eine
Turbine geleitet, die auf der gleichen Welle angebracht ist. Die
Gasströmung
dreht die Turbine, die ihrerseits die Welle dreht und Energie an
den Verdichter liefert. Die heißen
Abgase strömen
aus der Rückseite
von dem Triebwerk und treiben dieses und das Flugzeug nach vorne
an.
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Je
heißer
die Abgase, desto effizienter ist der Betrieb des Strahltriebwerks.
Es besteht somit ein Bestreben, die Abgastemperatur zu erhöhen. Jedoch ist
normalerweise die maximale Temperatur der Abgase durch die Materialien
begrenzt, die zum Fertigen der Turbinenlauf- und Turbinenleitschaufeln
verwendet werden. In gegenwärtigen
Triebwerken sind die Turbinenlauf- und -leitschaufeln aus Nickelbasis-Superlegierungen
hergestellt und können
bei Temperaturen bis zu 1038-1149°C (1900-2100°F) arbeiten.
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Es
sind viele Lösungen
verwendet worden, um die Betriebstemperarturgrenze der Turbinenleit- und
Turbinenlaufschaufeln zu erhöhen.
Die Zusammensetzungen und die Verarbeitung der Materialien selbst
sind verbessert worden. Es sind physikalische Kühltechniken verwenden worden.
In einer in weitem Umfang verwendeten Lösung sind interne Kühlkanäle in den
Komponenten vorgesehen, und Kühlluft
wird während
des Betriebs durch die Kanäle
gedrückt.
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In
einer anderen Lösung
ist ein Schutz- Umgebungsüberzug
oder ein keramisches/metallisches, thermisches Trennüberzugs-
(TBC) System auf die Turbinenleit- oder Laufschaufelkomponente aufgebracht,
die als ein Substrat wirkt. Der schützende Umgebungsüberzug ist
in Zwischentemperatur-Anwendungen brauchbar. Ein bekannter Typ eines
metallischen Schutzüberzugs
ist ein Platin- Aluminiumüberzug,
der durch Abscheiden von Platin und Aluminium auf die Oberfläche des
Substrats und Eindiffundieren dieser Bestandteile gebildet ist.
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Ein
keramischer thermischer Trennüberzug kann
so aufgebracht sein, daß er über dem
Platin-Aluminiumüberzug
liegt, um ein thermisches Trennüberzugssystem
zu bilden. Das thermische Trennüberzugssystem
ist bei Anwendungen mit höherer
Temperatur brauchbar. Der keramische thermische Trennüberzug isoliert
die Komponente von dem Abgas und gestattet, daß das Abgas heißer ist
als es anderenfalls möglich
wäre mit
dem besonderen Material und dem Fertigungsprozess der Komponente. Jedoch
haften keramische Schichten gewöhnlich nicht
gut direkt an den Nickelbasis-Superlegierungen an, die in den Substraten
verwendet werden. Um die Adhäsion
des keramischen Überzuges
zu verbessern und für
Oxidationsbeständigkeit
für das
Substrat im Falle des Keramik-Abblätterns zu sorgen, wird ein Bindungsüberzug auf
das Substrat aufgebracht. (Bindungsüberzüge werden gelegentlich auch
Diffusionsaluminide oder Decküberzüge genannt.)
Platin-Aluminide, der Fokus der vorliegenden Erfindung, sind ein
Beispiel von einem Diffusions-Aluminid. Der Platin-Aluminium-Bindungsüberzug wird
zwischen dem Substrat und dem keramischen thermischen Trennüberzug angeordnet,
um die Adhäsion
bzw. Anhaftung der keramischen Schicht an dem Substrat zu bewirken.
Zusätzlich
oxidiert die Deckfläche
von dem Bindungsüberzug
zu einer schützenden
Aluminiumoxiddicke, um eine weitere Oxidation des Substrates zu hemmen.
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Obwohl
Superlegierungen, die mit Umgebungsüberzügen und keramischen/metallischen, thermischen
Trennüberzugssystemen
beschichtet sind, für
ein wesentlich verbessertes Leistungsvermögen gegenüber unbeschichteten Materialien
sorgen, bleibt eine Möglichkeit
zur Verbesserung des Leistungsvermögens bei erhöhten Temperaturen
und der Umgebungsbeständigkeit.
Es gibt ein andauerndes Bedürfnis
für verbesserte
Umgebungsüberzüge und Bindungsüberzüge, um Nickelbasis-Superlegierungen
bei Anwendungen mit erhöhter
Temperatur zu schützen.
Dieses Bedürfnis
ist noch wichtiger geworden mit der Entwicklung der neuesten Generation von
Nickelbasis-Superlegierungen, da die älteren Schutzüberzüge häufig nicht
zufriedenstellend sind mit diesen Materialien und Leistungsanforderungen bei
höheren
Temperaturen. Die vorliegende Erfindung erfüllt dieses Bedürfnis und
sorgt ferner für
damit in Beziehung stehende Vorteile.
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Die
vorliegende Erfindung stellt einen Gegenstand mit einer Umgebungsbeschichtung
oder einem thermischen Trennüberzug
(TBC)-System und Verfahren zu ihrer Herstellung bereit. Die Gegenstände haben
eine verbesserte Betriebsdauer bei erhöhter Temperatur als eine Folge
der verminderten Verschlechterung durch Abblättern und einen daraus resultierenden
Verlust des Überzugs.
Die Funktionalität des
thermischen Trennüberzugsystems,
das Substrat zu isolieren und zu schützen, wird für eine längere Aussetzung
gegenüber
erhöhter
Temperatur und einer vergrößerten Zahl
von thermischen Zyklen beibehalten.
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Gemäß einem
ersten Aspekt der Erfindung wird ein Gegenstand bereitgestellt,
der enthält:
ein Substrat, ein Beschichtungssystem, das auf dem Substrat abgeschieden
ist, wobei das Beschichtungssystem eine Schutzschicht enthält, die über dem
Substrat liegt, wobei die Schutzschicht eine oberste Schicht mit
einer Zusammensetzung aufweist, die Platin und Aluminium plus, in
Atomprozent, im Mittel von 0,14 bis 2,8 Prozent Hafnium und von 2,7
bis 7,0 Prozent Silizium aufweist, wobei das Atomverhältnis Silizium:Hafnium
von 1,7:1 bis 5,6:1 beträgt.
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Die
Hafnium- und Silizium-Zusammensetzungen sind Mittelwerte, die durch
eine zusätzliche bzw.
additive Schicht gemessen werden, wie es nachfolgend beschrieben
wird. Der Aluminiumgehalt von der Schutzschicht kann irgendein funktionsfähiger Betrag
sein, vorzugsweise von etwa 30 bis etwa 60 Atomprozent und am bevorzugsten
von etwa 30 bis etwa 50 Atomprozent. Der Platingehalt kann irgendein
funktionsfähiger
Betrag sein, vorzugsweise von etwa 4 bis etwa 15 Atomprozent, am
bevorzugsten von etwa 4 bis etwa 13 Atomprozent. Der Rest von der
Schutzschicht können
Elemente sein, die aus dem Substrat in die Schicht diffundiert sind,
wie beispielsweise Nickel, Kobalt, Chrom, Wolfram, usw.
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Gemäß einem
zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen eines
Gegenstandes bereitgestellt, enthaltend die Schritte zum Bereitstellen
eine Substrates, Abscheiden einer ersten Schicht enthaltend Platin
auf dem Substrat, Abscheiden einer zweiten Schicht, enthaltend Aluminium, Hafnium
und Silizium auf der Platinschicht, und Erwärmen der ersten Schicht enthaltend
Platin und der zweiten Schicht enthaltend Aluminium, Hafnium und Silizium,
so daß Aluminium,
Hafnium und Silizium in die erste Schicht diffundieren, wobei die
zweite Schicht eine mittlere Zusammensetzung in Atomprozent von
0,14 bis 2,8 Prozent Hafnium und von 2,7 bis 7,0 Prozent Silizium
aufweist, wobei das Atomverhältnis
Silizium:Hafnium von 1,7: 1 bis 5,6:1 beträgt.
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Ein
Zusatzschichtabschnitt von der Schutzschicht hat eine mittlere Zusammensetzung,
wie sie oben angegeben ist.
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Wenn
ein thermisches Trennüberzugsystem gewünscht wird,
kann eine keramische thermische Trennüberzugsschicht über der
Schutzschicht liegend abgeschieden werden, entweder nachdem das Diffundieren
abgeschlossen ist oder gleichzeitig mit dem Eindiffundierungsschritt.
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Das Überzugs-
bzw. Beschichtungssystem gemäß der Erfindung
weist eine verlängerte
Betriebsdauer auf als eine Folge der verbesserten Beständigkeit
gegenüber
Verschlechterung durch Abblättern.
Wenn die Platin-Aluminiumschicht erhöhten Temperaturen ausgesetzt
wird, oxidiert ihre Oberfläche,
um eine Aluminiumoxidschicht zu bilden. Der Hauptfehlermodus ist
das Abblättern
der Aluminiumoxidschicht als eine Folge der Bildung von Rissen in dem
Aluminiumoxid oder der Aluminiumoxid/ oder Platinaluminid-Grenzfläche. Die
Gegenwart der angegebenen Zusätze
von Silizium und Hafnium hemmt diesen Fehlermodus und verringert
das Auftreten von Rissen in dem Aluminiumoxid und der Aluminiumoxid/Platin-Aluminid-Grenzfläche. Das Überzugs-
bzw. Beschichtungssystem, das mit dem Zusatz von Silizium und Hafnium
in den angegebenen Mengen modifiziert ist, bleibt für eine längere Periode unter
Betriebsbedingungen funktionsfähig
als es die unmodifizierte Schutzschicht tut.
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Die
Erfindung wird nun mit weiteren Einzelheiten anhand von Ausführungsbeispielen
unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, in denen:
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1 eine
perspektivische Ansicht von einer Turbinenschaufel ist;
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2A-B
schematische vergrößerte Schnittansichten
von dem Gegenstand gemäß 1 entlang
der Linie 2-2 sind und Überzugssysteme
auf der Oberfläche
von dem Gegenstand darstellen, wobei 2A einen
Umgebungsüberzug
und 2B ein thermisches Trennüberzugssystems darstellt;
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3 ein
bildhaftes Blockdiagramm von einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
der erfindungsgemäßen Lösung ist
und
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4A-B
graphische Zusammenfassungen von Testergebnissen für fehlerhafte
und fehlerfreie Proben sind, wobei 4A Hafnium-
und Siliziumgehalte und 4B das
Verhältnis
von Silizium zu Hafnium darstellt.
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1 zeigt
einen Komponenten-Gegenstand von einem Gasturbinentriebwerk wie
beispielsweise eine Turbinen-Laufschaufel oder Turbinen-Leitschaufel,
und in dieser Darstellung eine Turbinen-Laufschaufel 20.
Die Turbinen-Laufschaufel 20 weist einen stromlinienförmigen Abschnitt 22 auf,
gegen den die Strömung
des heißen
Abgases gerichtet wird. Die Turbinen-Laufschaufel 20 ist
auf einer Turbinenscheibe (nicht gezeigt) durch einen Schwalbenschwanz 24 befestigt,
der sich von dem stromlinienförmige
Abschnitt 22 nach unten erstreckt und in eine Nut auf der
Turbinenscheibe eingreift. Eine Plattform 26 erstreckt
sich von dem Bereich, wo der stromlinienförmige Abschnitt 22 mit
dem Schwalbenschwanz 24 verbunden ist, longitudinal nach
außen.
In einigen Gegenständen
verläuft
eine Anzahl von Kühlkanälen durch
das Innere des stromlinienförmigen
Abschnittes 22, und sie enden in Öffnungen 28 in der
Oberfläche
des stromlinienförmigen
Abschnittes 22. Es wird eine Strömung von Kühlluft durch die Kühlkanäle gerichtet,
um die Temperatur des stromlinienförmigen Abschnittes 22 zu
senken.
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2A-B
stellen Überzugs-
bzw. Beschichtungssysteme 30 dar, die auf der Turbinen-Laufschaufel 20 abgeschieden
sind, die dadurch als ein Substrat 32 wirkt. In 2A enthält ein Umgebungsüberzugssystem 30a eine
Schutzschicht, und in 2B enthält ein thermisches Trennüberzugssystem 30b eine
Schutzschicht und auch eine keramische thermische Trennüberzugsschicht,
die über
der Schutzschicht liegt.
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In
jedem Fall kann das Substrat 32 aus irgend einem funktionsfähigen Material
gebildet sein, aber ein bevorzugtes Basismetall, aus dem das Gegenstands-Substrat gebildet
ist, ist eine Nickelbasis-Superlegierung. Eine bevorzugte Superlegierung ist
René N5,
die eine nominale Zusammensetzung, in Gewichtsprozent, von 7,5 Prozent
Kobalt, 7 Prozent Chrom, 6,2 Prozent Aluminium, 6,5 Prozent Tantal,
5 Prozent Wolfram, 1,5 Prozent Molybdän, 3 Prozent Renium, Rest Nickel,
enthält.
Andere funktionsfähige Superlegierungen
umfassen beispielsweise René N6 oder
René 142.
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Das
Beschichtungssystem 30 enthält eine in der Zusammensetzung
modifizierte Platin-Aluminium-Schutzschicht 34, die über einer
Oberfläche 36 des
Substrates 32 liegt und mit dieser in Kontakt ist. In dem
Beschichtungssystem 30a wird die Schutzschicht 34 ein "Umgebungsüberzug" genannt, und in dem
Beschichtungssystem 30b wird die Schutzschicht 34 ein „Bindungsüberzug" genannt. Der Begriff „Schutzschicht", wie er hier verwendet
wird, umfaßt
sowohl Umgebungsüberzüge (ohne
einen darüber
liegenden keramischen thermischen Trennüberzug) und Bindungsüberzüge (die
einen darüber
liegenden keramischen thermischen Trennüberzug haben). Die Schutzschicht 34 hat
vorzugsweise eine Dicke von 13 bis 102 μm (etwa 0,0005 bis etwa 0,004 Zoll),
aber kleinere oder größere Dicken
sind funktionsfähig,
obwohl sie weniger wünschenswert
sind. In jedem der Überzugssysteme 30a und 30b oxidiert eine
oberste Oberfläche 38 der
Schutzschicht 34 während
der Fertigung und/oder während
des Betriebs, um eine dünne
Aluminiumoxidschicht 39 zu bilden.
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Die
Platin-Aluminiumschicht 34 kann irgendeinen aus einem Bereich
von Platin und Aluminiumgehalten haben. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
ist das Platin in einem Mittelwert von etwa 4 bis etwa 15 Atomprozent,
vorzugsweise etwa 4 bis etwa 13 Atomprozent, der Schutzschicht 34 vorhanden,
und das Aluminium ist in einem Mittelwert von etwa 30 bis etwa 60
Atomprozent, vorzugsweise etwa 30 bis etwa 50 Atomprozent, der Schutzschicht 34 vorhanden.
Die in der Zusammensetzung modifizierte Platin-Aluminium-Schutzschicht 34 ist üblicherweise
nicht chemisch homogen. Dieses inhomogene Zusammensetzungsprofil
resultiert aus der Art und Weise der Herstellung der in der Zusammensetzung modifizierten
Platin-Aluminium-Schutzschicht 34,
wie es nachfolgend erläutert
wird. Dementsprechend werden für
alle hier angegebenen Element-Zusammensetzungen mittlere Zusammensetzungswerte verwendet,
die in einer nachfolgend zu beschreibenden Art berechnet werden.
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Die
Zusammensetzung der Platin-Aluminium-Schutzschicht 34 wird
durch den Zusatz von Hafnium und Silizium modifiziert. Das Hafnium
ist in einer mittleren Menge von etwa 0,14 Atomprozent bis etwa
2,8 Atomprozent vorhanden, und das Silizium ist in einer mittleren
Menge von etwa 2,7 Atomprozent bis etwa 7,0 Atomprozent vorhanden.
Das Atomverhältnis
der mittleren Mengen von Silizium zu Hafnium beträgt vorzugsweise
von etwa 7,1:1 bis etwa 5,6:1.
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Das
Vorhandensein von Hafnium und Silizium trägt zu einer Verringerung in
dem Auftreten eines Ablätterfehlers
der Aluminiumoxidschicht 39 und somit des gesamten Überzugssystems
bei. Anders ausgedrückt,
die Ablätter-Lebensdauer
von dem Überzug
wird durch die Hafnium- und Silizium-Zusätze innerhalb der angegenbenen
Grenzen verlängert. Ablättern tritt
auf, wenn der Überzug
thermischen Zyklen zwischen niederiger Temperatur und hoher Temperatur
ausgesetzt wird, wie es während
der Betriebszyklen von einem Gasturbinentriebwerk auftritt. Üblicherweise
bilden sich Risse in der Aluminiumoxidschicht 39 oder an
der Grenzfläche 38 zwischen der
Aluminiumoxidschicht 39 und der Schutzschicht 34.
Die Risse breiten sich parallel zu der Substratoberfläche aus,
so daß Stücke von
der Aluminiumoxidschicht 39 und der thermischen Trennüberzugsschicht,
wo sie vorhanden sind, wegblättern.
Als eine Folge des Verlustes der darüber liegenden Schichten sind
die Schutzschichten 34 und somit das darunter liegende
Substrat den heißen
Abgasen des Triebwerkes ausgesetzt, und das Substrat wird schnell
angegriffen und fehlerhaft. Wenn die Mengen und Verhältnisse
von Hafnium und Silizium innerhalb der angegebenen Bereiche sind,
wird der Abblätterfehler
gehemmt und die Lebensdauer des Überzuges
wird verlängert.
Wenn die Mengen und Verhältnisse
von Hafnium und Silizium außerhalb
der angegebenen Bereiche sind, wird der Abblätterfehler nicht wesentlich
gehemmt.
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Das Überzugssystem 30 kann
auch eine keramische thermische Trennüberzugsschicht 40 aufweisen,
die auf der in der Zusammensetzung modifizierten Platin-Aluminium-Schutzschicht 34 abgeschieden
ist, wie es in 2B dargestellt ist. Die vorliegende
Erfindung ist jedoch bei Fehlen einer derartigen Schutzschicht 40 ausführbar, wie
es in 2A dargestellt ist. Die keramische
thermische Trennüberzugsschicht 40 ist,
wo sie vorhanden ist, vorzugsweise von etwa 0,1016 mm (0,004 Zoll)
bis etwa 0,762 mm (0,030 Zoll) dick, am bevorzugsten von etwa 0,127
mm (0,005 Zoll) bis etwa 0,381 mm (0,015 Zoll) dick. (2A-B
sind nicht im Maßstab gezeichnet.)
Die keramische thermische Trennüberzugsschicht 40 ist
in Dicken außerhalb
dieses Bereiches ausführbar,
aber weniger wünschenswert.
Kleinere Dicken der keramischen thermischen Trennüberzugsschicht 40 haben
die Tendenz, eine unzureichende Isolation für das Substrat 32 zu
ergeben. Größere Dicken
der keramischen thermischen Trennüberzugsschicht 40 haben
die Tendenz, dem Gegenstand unnötiges
Gewicht hinzuzufügen.
Die keramische thermische Trennüberzugsschicht 40 ist
vorzugsweise Yttriumoxid-(teilweise)stabilisiertes Zirkonoxid, das
ein Zirkonoxidbasis-Keramikmaterial ist, das von etwa 4 bis etwa
8 Gewichtsprozent Yttriumoxid enthält. Es können aber auch andere funktionsfähige stabilisierende
Oxide und keramische Basismaterialien verwendet werden.
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Thermische
Trennschutzsysteme dieser allgemeinen Art sind in der Technik bekannt,
abgesehen davon, daß die
Wirkungen der angegebenen Hafnium- und Siliziummodifikationen an
der Schutzschicht 34 nicht erkannt worden sind. US-Patent 5,514,482
hat eine Anregung zu einem Zusatz von Diffusions-Aluminiden von
einer unspezifizierten Menge von Platin, Silizium und Hafnium und/oder
anderen Elementen zu Bindungsüberzügen gegeben. Derartige
Zusätze
müssen
nicht die Eigenschaften des thermischen Trennüberzugssystems verbessern,
wenn sie nicht in die hier angegebenen Grenzen fallen, und sie können tatsächlich schädlich sein.
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3 stellt
in bildhafter Blockdiagrammform eine bevorzugte Lösung zum
Ausführen
der vorliegenden Erfindung dar. Das Substrat 32 ist mit
der Bezugszahl 50 versehen. Das Substrat 32 ist
in der allgemeinen Form und im wesentlichen der gleichen Größe, wie
der gewünschte
Endgegenstand, wie beispielsweise die Turbinenschaufel 20,
aber es kann auch leicht kleinere Abmessungen haben, um der Gegenwart
des Überzugssystems 30 Rechnung
zu tragen. Das Substrat 32 hat irgendeine brauchbare Zusammensetzung,
aber vorzugsweise ist es eine Nickelbasis-Superlegierung und am bevorzugsten die
René N5
Superlegierung, deren nominale Zusammensetzung oben angegeben worden
ist.
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Das
Platin, Aluminium, Hafnium und Silizium werden, entweder einzeln
oder durch gemeinsame Abscheidung, auf der Oberfläche des
Substrates 32 als Schichten abgeschieden und eindiffundiert.
Es kann eine Anzahl von Lösungen
zum Abscheiden und Eindiffundieren (Interdiffundieren) der Elemente verwendet
werden. Derartige Lösungen
umfassen beispielsweise (1) Abscheiden von Platin auf die Oberfläche des
Substrates als eine Schicht, Eindiffundieren des Platins in das
Substrat, Abscheiden des Aluminiums, Hafniums und Siliziums als
eine weitere Schicht und anschließendes Eindiffundieren dieser
Schicht mit der zuvor diffundierten Platinschicht; (2) Abscheiden
von Platin auf die Oberfläche des
Substrates als eine Schicht, Abscheiden des Aluminiums, Hafniums
und Siliziums als eine weitere Schicht und anschließendes Eindiffundieren
der zwei Schichten; (3) Abscheiden von Platin, Hafnium und Silizium
als eine Schicht und Aufbringen von Aluminium als eine darüber liegende
zweite Schicht, alles bei einer hohen Temperatur, um ein Eindiffundieren
(Interdiffundieren) zu erzielen. Ein Eindiffundierungsschritt kann
auch in dieser dritten Lösung
nach dem Abscheiden von Platin, Hafnium und Silizium und vor dem
Abscheiden von Aluminium enthalten sein. Aluminium, Hafnium und
Silizium können
in dem Beschichtungsschritt abgeschieden werden. (4) Physikalische
Dampfabscheidung durch Elektronenstrahl-Verdampfung oder Zerstäubung von
PtAlHfSi-Legierungen;
und (5) Plasmasprühabscheidung von
Pulvern mit den Hf/Si enthaltenen PtAl Materialien. Für die vorliegenden
Zwecke sind diese und andere Lösungen
zum Abscheiden der Elemente äquivalent
dahingehend, daß sie
die Schicht 34 der gewünschten
Zusammensetzungen erzeugen.
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Von
diesen Lösungen
wird die gegenwärtig am
stärksten
bevorzugste Lösung,
die als Nr. 2 in dem vorstehenden Absatz identifiziert ist, im Detail beschrieben.
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Eine
erste Schicht 70 mit Platin, vorzugsweise reinem Platin,
wird auf der Oberfläche 36 des
Substrats 32 abgeschieden, wie sie sich dann darstellt, Bezugszahl 52.
Die erste Schicht 70 aus Platin wird vorzugsweise durch
Elektroplatieren abgeschieden, wie beispielsweise aus einer Pt(NH3)4 HPO4 Lösung. Andere
Techniken, wie beispielsweise chemische Dampfabscheidung und physikalische
Dampfabscheidung, können
ebenfalls verwendet werden. Die erste Schicht 70, die Platin
aufweist, ist vorzugsweise etwa 5 μm dick.
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Eine
zweite Schicht 72, die manchmal die „zusätzlich bzw. additive" Schicht genannt
wird und Aluminium, Hafnium und Silizium enthält, wird anschließend abgeschieden,
wobei sie über
der ersten Schicht 70 liegt und mit dieser in Kontakt ist,
Bezugszahl 54. Die zweite Schicht 72 wird durch
irgendeine ausführbare
Lösung
abgeschieden, wobei chemische Dampfabscheidung (CVD von chemical
vapor-deposition) bevorzugt ist. Bei dieser Lösung wird ein Wasserstoffhalogenidgas,
wie beispielsweise Wasserstoffchlorid, mit Aluminiummetall oder
einer Aluminiumlegierung in Kontakt gebracht, um das entsprechende
Aluminiumhalogenidgas zu bil den. Hafnium und Silizium werden in
das Aluminiumhalogenidgas dotiert, indem Hafniumhalogenid- und Siliziumhalogenidgase
zugeführt
werden. Das Aluminium/Hafnium/Silizium-enthaltende Quellgas wird
mit der zuvor abgeschiedenen ersten Schicht 70, die über dem
Substrat 32 liegt, in Kontakt gebracht, wobei die Aluminium,
Hafnium, Silizium-enthaltende zweite Schicht 72 über der
ersten Schicht 70 abgeschieden wird. Die Reaktionen treten
bei erhöhter Temperatur
auf, wie beispielsweise von etwa 1051°C (1925°F) bis etwa 1079°C (1975°F), so daß abgeschiedene
Aluminium-, Hafnium- und Silizium-Atome in die erste Schicht 70 während eines
Zyklus von 4 bis 20 Stunden eindiffundieren.
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Die
zweite Schicht 72 ist in den 2 und 3 als
unterschiedlich von der ersten Schicht 20 dargestellt.
Die hier erläuterte
Zusammensetzungs-Mittelung für
Hafnium, Silizium, Aluminium und Platin wird über der zweiten, additiven
Schicht 72 ausgeführt
und schließt
ausdrücklich
die Interdiffusionszone 70 zwischen der zweiten Schicht 72 und dem
Substrat 32 aus. Die Grenzen der zweiten Schicht 72 sind
nach einer geeigneten Querschnittsbildung und Ätzung der Struktur sichtbar,
eine gut ausgebildete metallurgische Praxis, sowohl bevor und nachdem
ein Eindiffundieren aufgetreten ist. Um also mittlere Zusammensetzungen
zu ermitteln, wie es hier angegeben ist, wird die Ausdehnung der
zweiten Schicht 72 zunächst
ermittelt durch Querschnittsbildung und Ätzung der Struktur, um eine
Ansicht wie diejenige der 2A und 2B freizulegen. Ätzen kann
beispielsweise durch ein geeignetes chemisches Ätzmittel ausgeführt werden.
Es wird eine Anzahl von Zusammensetzungsmessungen von dem Hafnium,
Silizium, Aluminium und/oder Platin über einem Bereich von Tiefen
auf der frei liegenden Fläche von
der zweiten („additiven") Schicht 72 gemacht, wobei
eine geeignete mikroanalytische Technik verwendet wird, wie beispielsweise
eine Elektronen-Mikrosonde. Die zweite oder additive Schicht 72 ist
die oberste Schicht von der Schutzschicht 34. Die Messungen
werden gemittelt, um den Mittelwert in der zweiten Schicht 72 für das ermittelte
Element zu erhalten. Der durchschnittliche numerische Wert wird mit
den Zusammensetzungsgrenzen verglichen, die hier angegeben sind.
(Für andere
Abscheidungstechniken, wie beispielsweise die oben erläuterten, wird
die Mittelung der Zusammensetzung über der zweiten abgeschiedenen
Schicht ausgeführt,
wenn zwei Schichten abgeschieden sind, oder über der einzelnen Schicht,
wenn nur eine einzelne Schicht abgeschieden ist. In jedem Fall wird
die Mittelung über
der obersten Schicht von der Schutzschicht 34 ausgeführt.)
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Die
erste Schicht 70, die zweite Schicht 72 und das
Substrat 32 werden auf eine erhöhte Temperatur erwärmt, um
die erste Schicht und die zweite Schicht weiter zu interdiffundieren,
Bezugszahl 56. Die Erwärmung
wird vorzugsweise bei einer Temperatur von etwa 1051°C (1925°F) bis etwa
1079°C (1975°F) und für eine Zeit
von etwa 4 Stunden bis etwa 20 Stunden ausgeführt. Das Ergebnis ist die interdiffundierte
in der Zusammensetzung modifizierte Platin-Aluminiumschicht 34,
wie sie in 2 dargestellt ist. Der
Erwärmungs-
und Interdiffusionsschritt 56 kann gleichzeitig mit dem
Abscheidungsschritt 54 oder nach dem Abscheidungsschritt 54 oder
beides ausgeführt
werden, indem die Erwärmung
des Schrittes 54 nach Abschluß der Abscheidung der zweiten Schicht 72 fortgesetzt
wird. Die Zusammensetzungs-Mittelung
kann zu jeder Zeit vor Abschluß dieses
Schrittes ausgeführt
werden.
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Die
keramische Schicht 40 kann danach optional abgeschieden
werden, Bezugszahl 58, um das thermische Trennüberzugssystem
zu bilden, wie es in 2B dargestellt ist. Der keramischen Überzug 40 kann
durch jede ausführbare
Technik aufgebracht werden, wobei physikalische Elektronenstrahl-Dampfabscheidung
(EBPVD) für
den bevorzugten Yttriumoxid-stabilisierten Zirkonoxidüberzug bevorzugt
ist. Vor und/oder nach der EBPVD Bearbeitung können Hochtemperaturprozesse
erfolgen, die die Verteilung von Elementen in dem Bindungsüberzug beeinflussen.
Der EBPVD Prozeß selbst
wird üblicherweise
bei erhöhten
Temperaturen ausgeführt.
Die Zusammensetzung der additiven Schicht 72 kann auch
nach diesen zusätzlichen
Wärmebehandlungen
untersucht werden.
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Es
wurden Testproben hergestellt unter Verwendung der oben beschriebenen
bevorzugten Lösung,
um das thermische Trennüberzugssystem
gemäß 2B zu
erzeugen, wobei Testknöpfe
aus dem René N5
Substratmaterial verwendet wurden. Kleine Abschnitte von den Substraten
als mit einem Bindungsüberzug
beschichtet wurden von den Testproben entfernt vordem Beschichten
mit der Keramikschicht 40 und dem Testen, um die vor dem
Test bestehende Chemie mit dem Testvermögen zu verbinden. Die Proben
wurden hinsichtlich der Abblätterdauer
durch entweder einen thermischen Zyklustest im Ofen oder einen Brenner-Prüfstandtest
evaluiert. Bei dem thermischen Zyklustest wurden die Proben in einem
Ofen auf eine Testtempe ratur von 1135°C (2075°F) in einem 1-Stunden-Zyklus
von einer 15 minütigen
Erwärmung
von Raumtemperatur und Abkühlen
auf Raumtemperatur erwärmt,
wobei dazwischen eine Haltezeit von 45 Minuten bei der Testtemperatur
verwendet wurde. Der Brenner-Prüfstandtest wurde
bei 1177°C
(2150°F)
für zwei
Stunden-Haltezeitzyklen mit einer Gasgeschwindigkeit von 0,5 Mach
mit einer Zwischenkühlung
auf Raumtemperatur und Wiedererwärmung
ausgeführt.
Nach dem Versagen bzw. Fehler, der definiert ist als 20 Prozent Abblättern der
Probenfläche
in dem Ofentest oder 1 Quadratzentimeter Abblättern in dem Brenner-Prüfstandtesttest,
wurden abgeblätterte
und nicht abgeblätterte
Flächen
der Testproben angepaßt
mit passenden Orten auf den Abschnitten, die vor dem Test entfernt
wurden. Diese Abschnitte wurden durch Elektronen-Mikrosonde chemisch
analysiert und metallographisch untersucht.
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Die
metallographischen Tests zeigten, daß die fehlerfreien Orte ein
besonderes Vorhandensein der Hafnium/Silizium-Phase hatten, die
das Anhaften des thermischen Trennüberzugs an dem Substrat unterstützte. 4A-B
fassen die chemischen Elektronen-Mikrosonden-Testergebnisse für die abgeblätterten
Flächen
und die nicht abgeblätterten
Flächen
zusammen, wobei der thermische Trennüberzug an dem Substrat befestigt
blieb. Diese Ergebnisse bestimmen den Hafniumgehalt, Siliziumgehalt
und Silizium:Hafnium-Verhältniswerte,
wie sie hier angegeben sind, als die Grenzen für diese Werte. Um die Werte
festzulegen, wurden die Chemiedaten dahingehend getrennt, ob die
analysierte Fläche
fehlerhaft oder nicht fehlerhaft war. Die Daten von den fehlerhaften
Flächen
wurden weiter unterteilt in Elementgehalte unterhalb des Mittelwertes,
der aus den nicht fehlerhaften Flächen ermittelt wurde, und Elementgehalte über dem
Mittelwert. Es wurde eine Einzelfaktor-Varianzanalyse, die üblicherweise
durch die ANOVA Computer-Prozedur ausgeführt wird, verwendet, um die
Datensätze
zu vergleichen. Auf der Basis der statistischen Analyse waren die
chemischen Zusammensetzungen der fehlerfreien Flächen statistisch unterschiedlich
von denjenigen der fehlerhaften Regionen, wobei es entweder einen
zu niedrigen oder zu hohen Elementgehalt für jedes Element und Verhältnis gab.
Die gewählten
chemischen Zusammensetzungen waren diejenigen innerhalb von zwei
Standard-Abweichungen oberhalb und unterhalb des Mittelwertes für die nicht
fehlerhaften Regionen.