DE69925590T2

DE69925590T2 - Mehrschichtige haftbeschichtung für wärmedämmschicht und verfahren dazu

Info

Publication number: DE69925590T2
Application number: DE69925590T
Authority: DE
Inventors: Xiaoci Zheng
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1998-02-28
Filing date: 1999-02-26
Publication date: 2006-04-27
Anticipated expiration: 2019-02-27
Also published as: CZ20004537A3; DE69925590D1; EP1076727B1; CZ300909B6; WO1999043861A1; EP1076727A1

Description

Hintergrund der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft Schutzbeschichtungen für Komponenten, die höheren Temperaturen ausgesetzt werden wie Komponenten einer Gasturbinenmaschine. Insbesondere ist diese Erfindung auf ein Verfahren zum Ausbilden einer Haftbeschichtung eines thermischen Barrierebeschichtungssystems und speziell zum Bilden einer dichten mehrschichtigen Haftbeschichtung gerichtet, welche ein gewünschtes Niveau an Oberflächenrauheit aufweist, um das mechanische Ineinandergreifen zwischen der Haftbeschichtung und einem thermischen Barrierebeschichtungssystem zu fördern, das auf die Haftbeschichtung abgeschieden wird.
Die Arbeitsverhältnisse innerhalb einer Gasturbinenmaschine sind sowohl thermisch als auch chemisch aggressiv. Bedeutende Fortschritte bei Hochtemperaturlegierungen sind durch die Formulierung von Eisen-, Nickel- und Kobalt-basierten Superlegierungen erreicht worden, obwohl Komponenten, die aus solchen Legierungen geformt worden sind, oft nicht längere Arbeitszeiten aushalten können, wenn sie in bestimmten Hochtemperaturbereichen einer Gasturbinenmaschine angeordnet sind, wie z. B. der Turbine, dem Brenner oder dem Verstärker (Augmentor). Beispiele solcher Komponenten schließen ein Flügelräder und Düsen in dem Turbinenabschnitt einer Gasturbinenmaschine. Eine übliche Lösung besteht darin, die Oberfläche solcher Komponenten mit einem umgebenden Beschichtungssystem zu schützen wie mit einer Aluminidbeschichtung, eine Überzugsbeschichtung oder einem thermischen Barrierebeschichtungssystem (TBC). Das letztere schließt eine Schicht aus thermisch isolierendem Keramikmaterial (thermische Barrierebeschichtung oder TBC) ein, die auf dem Superlegierungssubstrat mit einer Haftbeschichtung, die gegenüber den Arbeitsbedingungen resistent ist, haftet.
Metalloxide wie Zirkoniumoxid (ZrO₂), das teilweise oder völlig durch Yttriumoxid (Y₂O₃), Magnesiumoxid (MgO) oder einem anderen Oxid stabilisiert ist, sind in großem Maße als Material für die thermisch isolierende Keramikschicht verwendet worden. Die keramische Schicht wird üblicherweise abgeschieden mittels eines Luftplasmasprays (APS), Vakuumplasmasprays (VPS) (auch Niederdruckplasmaspray genannt (LPPS)) oder mittels physikalischer Dampfabscheidetechniken (PVD) wie physikalische Elektronenstrahl Dampfabscheidung (EBPVD), die eine säulenförmige Körnerstruktur ergibt, die gegenüber Beanspruchungen unempfindlich ist. APS wird oft anderen Abscheideverfahren vorgezogen, da die Installationskosten niedrig sind und die Anwendung und das Abdecken einfach sind. Vor allem der Adhäsionsmechanismus für plasmaversprühte keramische Schichten wird durch mechanisches Verzahnen mit einer Haftbeschichtung bewirkt, welche eine relativ rauhe Oberfläche aufweist, insbesondere etwa 350 Mikroinch bis etwa 750 Mikroinch (etwa 9 bis etwa 19 μm) Ra.
Haftbeschichtungen werden typischerweise von einer oxidationsbeständigen Legierung wie MCrAlY gebildet, wobei M Eisen, Kobalt und/oder Nickel ist, oder aus einem Diffusionsaluminid oder Platinaluminid, das eine oxidationsbeständige Intermetallverbindung bildet, oder einer Kombination von beiden. Haftbeschichtungen, die aus solchen Zusammensetzungen gebildet werden, schützen das darunter liegende Superlegierungssubstrat, indem eine Oxidationsbarriere für das darunter liegende Superlegierungssubstrat gebildet wird. Insbesondere sorgt der Aluminiumgehalt dieser Haftbeschichtungsmaterialien für das langsame Wachsen einer dichten haftenden Aluminiumoxidschicht (Aluminiumoxidablagerung) bei erhöhten Temperaturen. Diese Oxidschicht schützt die Haftbeschichtung vor Oxidation und erhöht die Bindung zwischen der keramischen Schicht und der Haftbeschichtung.
Abgesehen von diesen Haftbeschichtungen, welche durch Diffusionstechniken und physikalische oder chemische Dampfabscheidungsverfahren gebildet werden, werden diese Haftbeschichtungen typischerweise durch thermisches Sprühen, z. B. APS, VPS und Hochgeschwindigkeits-Sauerstoff Brennstoff (HVOF) Techniken aufgebracht, und alle diese Methoden beinhalten das Abscheiden der Haftbeschichtung aus einem Metallpulver. Die Struktur und die physikalischen Eigenschaften solcher Haftbeschichtungen hängen in hohem Maße von dem Verfahren und den Einrichtungen ab, mittels welcher sie abgeschieden werden. Während des Abscheidens findet mittels VPS-Methoden wenig Oxidation der Metallteilchen statt, und zwar so, dass die resultierende Haftbeschichtung dicht und frei von Oxiden ist, und deshalb bei hohen Temperaturen eine Schutzwirkung entfaltet wird (z. B. über 1000 °C (ca. 1800 °F)) und zwar aufgrund ihrer Fähigkeit zu einer kontinuierlichen Schutzoxidschicht zu wachsen. Wegen einer relativ niedrigen Wärmekapazität beim Schmelzen des Sprühpulvers wird bei VPS Verfahren Pulver verwendet, das eine sehr feine Teilchengrößenverteilung hat, mit dem Ergebnis, dass die so gesprühten VPS Haftbeschichtungen dicht sind aber relativ glatte Oberflächen besitzen (typischerweise 200 bis 350 Mikroinch (ungefähr 4 bis etwa 9 μm)) Ra. Die Konsequenz davon ist, das plasma-gesprühte keramische Schichten nicht so gut auf VPS Haftbeschichtungen haften.
Im Gegensatz dazu verfügt Luftplasma über eine höhere Wärmkapazität in der Gegenwart von Luft. Die höhere Wärmekapazität des APS Verfahrens ermöglicht das Schmelzen von relativ großen Teilchen, erlaubt die Verwendung von Metallpulvern, die Haftbeschichtungen ergeben, die eine rauere Oberfläche haben als es mit VPS möglich ist. Die Haftung von keramischen Schichten an APS Haftbeschichtungen wird durch die raue APS Haftbeschichtungsoberfläche vergrößert, d. h. in dem 350 bis 750 Mikroinch (etwa 9 bis 19 μm) Ra Bereich, der geeignet ist für plasma-gesprühte keramische Schichten. Die Teilchengrößenverteilung solcher Pulver ist eine Gauss-Verteilung als Ergebnis des Siebprozesses, und ist typischerweise breit genug, um feinere Teilchen zur Verfügung zu stellen, die die Zwischenräume zwischen größeren Teilchen ausfüllen, um die Porosität zu reduzieren. Jedoch sind die feineren Teilchen während des Sprühprozesses oxidierbar, weshalb eine Haftbeschichtung entsteht, die einen sehr hohen Oxidgehalt aufweist. Das niedrige Moment, das die gesprühten Partikelchen in dem APS Prozess aufweisen, fördert auch die Porosität in der Beschichtung. Als Folge enthalten APS Haftbeschichtungen, so wie sie gesprüht werden, relativ hohe Anteile an Oxiden und sind poröser als VPS Haftbeschichtungen und weisen z. B. Dichten auf, die größer als 95 % der Theorie sind. Wegen ihrer höheren Oxidgehalte und Porosität erleiden APS Haftbeschichtungen leichter eine Oxidation als VPS Haftbeschichtungen.
Haftbeschichtungen, welche durch HVOF Techniken abgeschieden werden, sind sehr empfindlich gegenüber der Partikelgrößenverteilung des Pulvers wegen der relativ niedrigen Sprühtemperatur des HVOF Verfahrens. Entsprechend werden HVOF Prozessparameter so angepasst, dass Pulver versprüht werden, welche einen sehr engen Bereich der Partikelgrößenverteilung aufweisen. Um eine Haftbeschichtung herzustellen, welche eine Oberflächenrauheit von wenigstens 9 μm (350 Mikroinch) Ra aufweisen, muss ein grobes Pulver in einem HVOF Verfahren benutzt werden. Da jedoch grobe Teilchen typischerweise bei geeigneten HVOF Parametern nicht voll aufgeschmolzen werden können, weist die entstehende Haftbeschichtung typischerweise eine relativ hohe Porosität und eine schwache Bindung zwischen den versprühten Teilchen auf. Um eine dichtere Haftbeschichtung mit einem HVOF Verfahren herzustellen, muss typischerweise ein feineres Pulver benutzt werden mit dem Ergebnis, dass eine thermische Barrierebeschichtung nicht gut an der Haftbeschichtung haftet, weil der Haftbeschichtung Oberflächeneigenschaften fehlen, die eine Mikrorauheit gewährleisten.
In Anbetracht des oben geschilderten ist einzusehen, dass Haftbeschichtungen, welche mittels verschiedener Techniken abgeschieden worden sind, zwar mit Erfolg benutzt wurden, jedes Verfahren seine Vorteile aber auch Nachteile hat, die bei einer gegebenen Anmeldung in Betracht gezogen werden müssen. Während insbesondere APS Verfahren in einfacher Weise eine Haftbeschichtung liefern, die adäquate Oberflächenrauheit für die Adhäsion einer plasma-gesprühten keramischen Schicht aufweisen, sind Porosität und die Tendenz oxidiert zu werden in solchen Haftbeschichtungen Nachteile für den Schutz und die Haftung, die sie der zu unterst liegenden Substrat verleihen. Entsprechend besteht ein Bedürfnis nach einem Verfahren, mit welchem die Oberflächenrauheit erreicht werden kann, welche notwendig ist, um plasma-gesprühte Keramikbeschichtung für eine Haftbeschichtung zu erzielen, wobei auch eine reduzierte Porosität und Oxidationsneigung erhalten wird.
Zusammenfassung der Erfindung
Entsprechend der vorliegenden Erfindung wird eine Haftbeschichtung für ein thermisches Barrierebeschichtungssystem (TBC) für Komponenten zur Verfügung gestellt, die bestimmt sind für die Verwendung in einem aggressiven thermischen Umfeld wie Turbinenflügelräder und Düsen, Verbrennerkomponenten und Verstärkerkomponenten einer Gasturbinenmaschine. Ebenfalls zur Verfügung gestellt wird eine Methode, die Haftbeschichtung aufzubringen, bei der eine adäquate Oberflächenrauheit produziert wird, um eine plasma-gesprühte keramische Schicht haftend zu befestigen, während gleichzeitig eine Haftbeschichtung hergestellt wird, die genügend dicht ist, um die Diffusion von Sauerstoff und anderen oxidierenden Agenzien zum Komponentensubstrat zu verhindern. Folglich sind die Haftbeschichtungen, welche gemäß dem Verfahren der Erfindung hergestellt werden, derart, dass sie zum Schutze dienen und thermische Barrierebeschichtungssysteme ergeben, die im höchsten Maße beständig sind gegenüber Absplittern.
Das Verfahren umfasst ganz allgemein das Bilden einer Haftbeschichtung durch Abscheiden einer ersten Haftbeschichtungsschicht auf ein geeignetes Substrat unter Benutzung einer HVOF Technik, wobei ein erstes metallisches Pulver verwendet wird, das eine maximale Teilchengröße von 55 μm aufweist, wobei ein geeigneter Bereich etwa 20 bis 55 μm umfasst. Die entstehende Haftbeschichtung hat eine Oberflächenrauheit von etwa 200 bis 450 Mikroinch (etwa 5 bis 11 μm) Ra. Bevor sie einer Hochtemperatur oxidierenden Umgebung ausgesetzt wird, wird die erste Haftbeschichtungsschicht in einem Vakuum oder in einer inerten Atmosphäre wärmebehandelt, um die erste Haftbeschichtungsschicht zu verdichten und die Partikel durch Diffusion zu binden. Eine zweite Haftbeschichtungsschicht wird dann auf die erste Haftbeschichtungsschicht aufgebracht durch Luftplasmaversprühen eines metallischen Pulvers von Teilchen, welche eine Größe von etwa 35 bis etwa 110 Mikrometer haben. Die Teilchen werden aufgebracht, um der zweiten Haftbeschichtungsschicht eine Porosität von weniger als 5 % der theoretischen Dichte und eine Makrooberflächenrauheit von etwa 450 bis 750 Mikroinch (etwa 11 bis etwa 19 μm) Ra zu verleihen. Bevor sie einem Hochtemperatur oxidierenden Umfeld ausgesetzt werden, werden die erste und die zweite Haftbeschichtungsschicht in einem Vakuum oder in einer inerten Atmosphäre wärmebehandelt, um mittels Diffusion die zweite Haftbeschichtungsschicht auf die erste Haftbeschichtungsschicht zu binden. Danach kann eine thermische isolierende Keramikschicht, die auf der Haftbeschichtung mittels mechanischem Ineinandergreifen mit der rauen Oberfläche der zweiten Haftbeschichtungsschicht verbunden ist, aufgebracht werden.
Entsprechend der Erfindung ist die Oberflächenrauheit der entstehenden zweischichtigen Haftbeschichtung auf die Partikel des zweiten metallischen Pulvers zurückzuführen, das während dem Aufbringen unvollständig schmilzt, wobei eine Makrooberflächenrauheit von wenigstens etwa 11 μm (450 Mikroinch) Ra erreicht wird. Die feineren Partikel des zweiten metallischen Pulvers füllen die Zwischenräume zwischen den größeren Teilchen in einem Maße aus, das ausreicht, um eine Dichte von wenigstens 95 % der Theorie zu erreichen. Die feineren Teilchen des zweiten metallischen Pulvers tragen auch zur Mikrooberflächenrauheit der Haftbeschichtung bei. Es ist festgestellt worden, dass diese in starkem Maße das Haften der thermischen Barrierebeschichtung vergrößert, wenn sie kombiniert wird mit der Makrooberflächerauheit, wie sie durch die gröberen Artikel verursacht wird.
Aus dem vorstehenden kann entnommen werden, dass die Methode gemäß der Erfindung eine niedrig-poröse Haftbeschichtung erzeugt, die eine Oberflächenrauheit aufweist, die notwendig ist für eine plasma-gesprühte keramische Schicht eines thermischen Barrierebeschichtungssystems. Entsprechend sind auch die Haftbeschichtungen, welche gemäß der Erfindung hergestellt werden, in der Lage, an plasma-gesprühten keramischen Schichten zu haften, sodass das thermische Barrierebeschichtungssystem ein gewünschtes Niveau an Absplitterungswiderstandsfähigkeit aufweist und die Oxidierung des darunter liegenden Substrats vermieden wird.
Andere Gegenstände und Vorteile der Erfindung sind noch besser verständlich an Hand der folgenden Beschreibung.
Beschreibung der Zeichnungen
1 stellt schematisch ein thermisches Barrierebeschichtungssystem dar, das eine zweischichtige Haftbeschichtung aufweist, die entsprechend der Erfindung aufgebracht worden ist.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung ist im Allgemeinen anwendbar auf Metallkomponenten, die vor einem thermisch und chemisch aggressiven Umfeld mittels eines thermischen Barrierebeschichtungssystems geschützt werden. Einschlägige Beispiele solcher Komponenten schließen die Hoch- und Niederdruckturbinendüsen und Blätter ein, Abschirmungen, Brennkammerauskleidungen und Verstärker, Hardware von Gasturbinenmaschinen und Flügelräder von industriellen Turbinenmaschinen. Während die Vorteile dieser Erfindung im Besonderen bei Turbinenmaschinenkomponenten zu suchen sind, sind die Lehren dieser Erfindung allgemein auf alle Komponenten anwendbar, bei denen eine thermische Barriere benutzt werden kann, um die Komponenten thermisch von ihrem Umfeld zu isolieren.
Ein Teilschnitt einer Turbinenmaschinenkomponente 10, welche ein thermisches Barrierebeschichtungssystem 14 gemäß vorliegender Erfindung aufweist, ist in 1 wiedergegeben. Das Beschichtungssystem 14 weist, wie gezeigt, eine thermische isolierende Keramikschicht 18 auf, welche mit einer Zweilagenhaftbeschichtungsschicht 16 auf ein Substrat 12 gebunden ist. Wie es sich mit Hochtemperaturkomponenten einer Turbinenmaschine verhält, kann das Substrat 12 aus Eisen, Nickel oder einer kobalt-basierender Superlegierung gebildet sein, obwohl man auch erwartungsgemäß andere Hochtemperaturmaterialien verwenden könnte. Entsprechend dieser Erfindung wird die keramische Schicht 18 mittels Plasmasprühtechniken abgeschieden, z. B. Luftplasmasprühen (APS) und Vakuumplasmasprühen (VPS), das letzte Verfahren ist auch als Niederdruckplasmasprühen bekannt (LPPS). Ein bevorzugtes Material für die keramische Schicht 18 ist ein Yttriumoxid stabilisiertes Zirkoniumoxid (YSZ), obwohl andere keramische Materialien benutzt werden können einschließlich Yttriumoxid, das teilweise mit Zirkonoxid stabilisiert ist oder Zirkoniumoxid, das mit anderen Oxiden wie Magnesiumoxid (MgO), Ceriumoxid (CeO₂) oder Scandiumoxid (Sc₂O₃) stabilisiert ist.
Die Haftbeschichtung 16 muss oxidationsbeständig sein, um das darunter liegende Substrat 12 vor Oxidation zu schützen und die plasma-gesprühte keramische Schicht 18 in die Lage zu versetzen, fester am Substrat 12 zu haften. Zusätzlich muss die Haftbeschichtung 16 genügend dicht sein, um die Diffusion von Sauerstoff und anderen oxidierenden Agenzien zum Substrat 12 zu verhindern. Vor oder während des Aufbringens der keramischen Schicht 18 kann auf der Oberfläche der Haftbeschichtung 16 ein Belag von Aluminiumoxid (Al₂O₃) durch Einwirken von höheren Temperaturen gebildet werden, wodurch eine Oberfläche gebildet wird, auf welcher die keramische Schicht 18 fest anhaftet. Zu diesem Zweck enthält die Haftbeschichtung 16 vorzugsweise Aluminiumoxid- und/oder Chromoxid-Bildner, z. B. Aluminium, Chrom und ihre Legierungen und Intermetallverbindungen. Bevorzugte Haftbeschichtungsmaterialien schließen ein MCrAl und MCrAlY, wobei M Eisen, Kobalt und/oder Nickel ist.
Schließlich muss die Haftbeschichtung 16, da die keramische Schicht 18 mittels Plasmasprühen aufgebracht wird, eine genügend raue Oberfläche haben, vorzugsweise wenigstens 350 Mikroinch (ungefähr 9 μm) Ra, damit die keramische Schicht 18 mit der Haftbeschichtung 16 mechanisch ineinander greift.
Die vorliegende Erfindung stellt die Haftbeschichtung 16 in der Weise her, dass sie genügend Dichte und Oberflächenrauheit aufweist, indem eine erste Haftbeschichtungsschicht 16a aufgebracht wird, wobei man ein Hochgeschwindigkeits-Sauerstoff-Brennstoff (HVOF) Verfahren und ein relativ feines Pulver, das eine relativ enge Partikelgrößenverteilung aufweist, verwendet, darauf wird eine zweite Haftbeschichtungsschicht 16b mittels Luftplasmasprühen (APS) aufgebracht, wobei man ein groberes Pulver benutzt, das eine relativ breitere Teilchengrößenverteilung besitzt. Bekanntlich sind HVOF Haftbeschichtungen gemäß dem Stand der Technik typischerweise entweder zu glatt, um eine plasma-gesprühte Haftbeschichtung in adäquater Weise zu binden oder haben zwar eine adäquate Oberflächenrauheit, aber auf Kosten einer niedrigeren Beschichtungsdichte und geringer Integrität, wobei APS Haftbeschichtungen gemäß dem Stand auch aufgebracht werden können und eine adäquate Oberflächenrauheit aufweisen, jedoch eine unerwünscht hohe Porosität, d. h. weniger als 95 % der theoretischen Dichte besitzen. Durch Kombinieren der Haftbeschichtungsschichten 16a und 16b, welche gemäß den Verfahren und mit Pulvern entsprechend der Erfindung produzierte werden, stellt die vorliegende Erfindung eine dichte Mehrschichthaftbeschichtung zur Verfügung, welche die erwünschte Oberflächenrauheit aufweist, z. B. wenigstens 350 Mikroinch (9 μm) Ra.
Wie oben gezeigt machen die HVOF und APS Verfahren dieser Erfindung den Einsatz von zwei Metallpulvern mit unterschiedlichen Teilchengrößenverteilungen erforderlich. Wenigstens die zweite Haftbeschichtungsschicht 16b und vorzugsweise beide Haftbeschichtungsschichten 16a und 16b, werden aus einer Oxidablagerung bildenden Metallzusammensetzung gebildet, wie z. B. einer Aluminium enthaltenden intermetallischen Zusammensetzung, einer Chrom enthaltenden intermetallischen Zusammensetzung, MCrAl, MCrAlY oder einer Kombination davon. Eine besonders geeignete Zusammensetzung für beide Haftbeschichtungsschichten 16a und 16b hat eine nominelle Zusammensetzung ausgedrückt in Gew.-% von etwa 22 % Chrom, etwa 10 % Aluminium, etwa 1 % Yttrium, wobei der Rest Nickel und eventuell vorhandene Verunreinigungen sind. Die HVOF Haftbeschichtungsschicht 16a sorgt für eine sehr dichte Barriere gegenüber Oxidation als Folge der feinen Pulver, die einen engen Partikelgrößenverteilungsbereich aufweisen, während die zweite Schicht 16b eine gewünschte Mikrooberflächenrauheit und Makrooberflächenrauheit hat, welche auf die feineren und groberen Teilchen zurückzuführen sind, welche im Pulver vorhanden sind, das bei dem APS Verfahren benutzt wird. Es hat sich gezeigt, dass die daraus resultierende Kombination von Mikro- und Makrorauheit die Fähigkeit zum mechanischen Ineinandergreifen der Haftbeschichtung 16 mit der anschließend darauf aufgebrachten keramischen Schicht 18 fördert.
Entsprechend dieser Erfindung hat das Pulver für den HVOF Prozess eine maximale Teilchengröße von etwa 55 μm. Eine bevorzugte Teilchengrößeverteilung ist, in Gew.-% ausgedrückt, etwa 19 % Teilchen von 44 bis 55 μm, etwa 42 % Teilchen von 31 bis 44 μm, etwa 31 % Partikel von 22 bis 31 μm und etwa 5 % Teilchen von 16 bis 22 μm. Bevorzugte Parameter schließen eine Sprührate von etwa 3 bis 8 Pfund (etwa 1,4 bis 3,6 kg) pro Stunde ein, eine Sprühentfernung von etwa fünf bis zwölf inch (etwa 0,13 bis 0,30 Meter), ein Brennstoffgasgemisch von Sauerstoff, Wasserstoff und Stickstoff und eine maximale Oberflächentemperatur von etwa 350 °F (175 °C).
Das Pulver für den APS Prozess hat vorzugsweise einen Teilchengrößenbereich von etwa 35 bis 110 μm. Eine bevorzugte Teilchengrößenverteilung ist, in Gew.-% ausgedrückt, etwa 5 % Teilchen von 75 bis 90 μm, etwa 25 % Teilchen von 63 bis 65 μm, etwa 50 % Teilchen von 53 bis 63 μm, etwa 15 % Teilchen von 45 bis 53 μm und etwa 5 % Teilchen von 38 bis 45 μm. Bevorzugte Parameter schließen eine Sprühgeschwindigkeit von etwa 20 bis 60 Gramm pro Minute ein, eine Sprühentfernung von etwa 3 bis 6 inch (etwa 0,08 bis 1,15 Meter) und einem Stromniveau von 350 bis 650 amps und die Verwendung eines Gasgemischs von Wasserstoff und Stickstoff.
Entsprechend dieser Erfindung ist eine geeignete Dicke für die HVOF Haftbeschichtungsschicht 16a etwa 100 bis etwa 300 Mikrometer. Das HVOF Verfahren wie oben beschrieben und das Pulver produzieren eine Haftbeschichtungsschicht 16a, welche eine Oberflächenrauheit von etwa 200 bis 450 Mikroinch (etwa 5 bis etwa 11 μm) Ra aufweist und eine Dichte von wenigstens etwa 99 % der Theorie. Bevor die Haftbeschichtungsschicht einer Hochtemperatur oxidierenden Umgebung ausgesetzt wird, wird sie wärmebehandelt, um die Pulverteilchen durch Diffusion zu binden und die Haftbeschichtungsschicht 16a zu verdichten. Die Wärmebehandlung bindet auch vorzugsweise die Schicht 16a durch Diffusion auf das Substrat 12. Eine bevorzugte Behandlung wird bei einer Temperatur von etwa 950 °C bis etwa 1150 °C durchgeführt, und die Dauer der Behandlung ist bevorzugt etwa eine bis etwa sechs Stunden in einem Vakuum oder in einer inerten Atmosphäre.
Die Haftbeschichtungsschicht 16a wird auch vorzugsweise entfettet, um allen Schmutz, Fett und andere potentiellen Verunreinigungen zu entfernen.
Die APS Haftbeschichtungsschicht 16b wird dann unter Verwendung des oben beschriebenen Verfahrens und Pulvers auf der HVOF Haftbeschichtungsschicht 16a abgeschieden. Das bevorzugte APS Pulver, wie es oben beschrieben ist, enthält eine genügende Menge an gröberen Partikeln, um eine adäquate Makrorauheit auf der Oberfläche für die Haftbeschichtung 16 zu produzieren und eine genügende Menge feinere Partikelchen, um eine adäquate Mikrorauheit auf der Oberfläche zu erzielen, damit die keramische Schicht 18 haftet, und auch um die Zwischenräume zwischen den gröberen Partikeln zu füllen, um dadurch die Dichte der APS Haftbeschichtungsschicht 16b zu vergrößern. Entsprechend der Erfindung hat die entstehende Haftbeschichtung 16 eine Oberflächenrauheit von etwa 350 Mikroinch bis etwa 750 Mikroinch (etwa 9 bis etwa 19 μm) Ra. Bevor die Haftbeschichtungsschicht 16b einem Hochtemperatur oxidierendem Umfeld ausgesetzt wird, wird sie auch einer Wärmebehandlung unterzogen, die ausreicht, um die APS Haftbeschichtungsschicht 16b mit der HVOF Haftbeschichtungsschicht 16a durch Diffusionsbindung zu verbinden. Eine bevorzugte Behandlung findet bei einer Temperatur von etwa 950 °C bis 1150 °C statt und dauert etwa eine bis sechs Stunden in einem Vakuum oder einer inerten Atmosphäre und ergibt eine Beschichtungsdichte von wenigstens 95 % der Theorie (d. h. Porosität von nicht mehr als 5 %). Eine geeignete Dicke für die APS Haftbeschichtungsschicht 16b ist etwa 100 bis etwa 300 Mikrometer.
Während einer Untersuchung dieser Erfindung wurden Zweischicht-Haftbeschichtungen gemäß dieser Erfindung untersucht und mit VPS Haftbeschichtungen entsprechend dem Stand der Technik verglichen. Das Substratmaterial für alle Proben war eine Superlegierung auf Nickelbasis, die eine Zusammensetzung in Gew.-% hatte von 14 Cr, 9,5 Co, 3 Al, 4,9 Ti, 1,5 Mo, 3,8 W, 2,8 Ta und 0,010 C, Rest Nickel und eventuell vorhandene Verunreinigungen.
Die Haftbeschichtungszusammensetzung für alle Proben war das NiCrAlY Material, das oben beschrieben wurde und das eine Zusammensetzung in Gew.-% von etwa 22 % Chrom, etwa 10 % Aluminium, etwa 1 % Yttrium, Rest Nickel und eventuell vorhandene Verunreinigungen hatte.
Die HVOF und APS Haftbeschichtungsschichten gemäß der Erfindung wurden unter Einsatz von Pulvern aufgebracht, die die bevorzugte Teilchengrößenverteilung aufwiesen, wie oben angegeben, während das Pulver, das durch VPS Verfahren aufgebracht wurde, einen Partikelgrößenbereich von 10 bis 90 μm hatte. Die HVOF Verfahrensparameter schlossen einen Wasserstoffgasfluss von etwa 45,3/m³ pro Stunde (1600 Standard Kubikfuß pro Stunde (scfh)) ein, einen Sauerstoffgasfluss von etwa 12,7 m³ pro Stunde (450 scfh), einen Stickstoffgasfluss von etwa 22,7 m³ pro Stunde (800 scfh) und einen Träger (Stickstoff) Gasfluss von etwa 0,85 m³ pro Stunde (30 scfh). Die APS Verfahrensparameter schlossen einen Stickstoffgasfluss von etwa 3,54 m³ pro Stunde (125 scfh), einen Wasserstoffgasfluss von etwa 0,25 m³ pro Stunde (9 scfh) und einem Träger (Stickstoff) Gasfluss von etwa 0,57 m³ pro Stunde (20 scfh) (zwei Injektoren, 0,28 m³ pro Stunde (10 scfh) pro Injektor) ein. Die HVOF und APS Haftbeschichtungsschichten hatten eine Dicke von etwa 200 bis etwa 100μm, während die VPS Haftbeschichtungen eine Dicke von etwa 300 μm hatten. Alle Proben wurden bei einer Temperatur von etwa 1080 °C während einer Zeit von etwa vier Stunden in einem Vakuum jeweils nach jedem Ablagerungsschritt wärmebehandelt. Nach der Wärmebehandlung waren die Haftbeschichtungen gemäß der Erfindung gekennzeichnet durch eine Oberflächenrauheit von etwa 11 bis 15 μm (450 bis 600 Mikroinch) Ra und einer Dichte (APS Schicht) von etwa 98 % der Theorie, während die VPS Haftbeschichtungen gekennzeichnet waren durch eine Oberflächenrauheit von etwa 11 bis 15 μm (450 bis 600 Mikroinch) Ra und eine Dichte von etwa 99 % der Theorie.
Nach dem Abscheiden auf allen Proben einer thermisch isolierenden Keramikschicht, welche eine Dicke von etwa 375 μm aufwies, wurde ein Ofentest durchgeführt. Einige der Proben wurden einem thermischen, zyklischen Test unterworfen, der aus 45 Minuten Zyklen bei etwa 2000 °F (1095 °C), während einer 20-Stundenperiode bestand, wobei die Absplitterungswiderstandsfähigkeit der keramischen Schicht nachgewiesen wurde, und zwar durch die Anzahl der thermischen Zyklen, die durchgeführt werden konnten, bevor ein Absplittern beobachtet werden konnte. Ein zweiter Test bestand darin, die Proben einer Temperatur von 2000 °F (1095 °C) während 1000 Stunden auszusetzen, wobei das Austreten von Aluminium aus dem Substrat in einer nach dem Test durchgeführten Untersuchung bestimmt wurde. Die Ergebnisse der Ofentests sind im Folgenden zusammengestellt.
Zyklen bis 1 000 Stunden
Die oben aufgeführten Daten beweisen die Überlegenheit der HVOF/APS Haftbeschichtungen, welche entsprechend der Erfindung hergestellt worden sind, verglichen mit den VPS Haftbeschichtungen gemäß dem Stand der Technik, und zwar in den Werten der Absplitterungswiderstandsfähigkeit. Nach dem Test durchgeführte Untersuchungen zeigten etwas Verarmung an Aluminium in dem Superlegierungssubstrat, welches durch die HVOF/APS Haftbeschichtungen in der Nähe der Haftbeschichtung/Substrat-Interphase geschützt wurde. Während die Superlegierungssubstrate, welche durch die VPS Haftbeschichtung geschützt waren, keine Aluminiumverarmung zeigten, war als Einbuße eine kürzere Ermüdungszeit bei den thermischen Zyklen zu beobachten.

Claims

Verfahren zur Abscheidung einer zweischichtigen Haftbeschichtung 16 eines thermischen Barrierebeschichtungssystems 14, welches Verfahren die Schritte aufweist, dass man: ein Superlegierungssubstrat 12 bereitstellt; auf dem Substrat 12 mittels einer Hochgeschwindigkeit-Sauerstoff-Brennstoff Technik eine erste Haftbeschichtungsschicht 16a, unter Verwendung eines ersten Metallpulvers aus Partikeln aufbringt, die eine maximale Größe von 55 Mikrometern haben, wobei die erste Haftbeschichtungsschicht 16a eine Oberflächenrauhigkeit von etwa 5 bis 10 Mikrometern (200 bis etwa 400 Mikroinches) Ra hat; die erste Haftbeschichtungsschicht 16a bevor man sie einer oxidierenden Hochtemperaturumgebung aussetzt, in einem Vakuum oder in inerter Atmosphäre wärmebehandelt, um die erste Haftbeschichtungsschicht 16a zu verdichten und zur Diffusionsverbindung der Partikel des ersten Metallpulvers; eine zweite Haftbeschichtungsschicht 16b auf der ersten Haftbeschichtungsschicht 16a aufbringt, indem man ein zweites Metallpulver aus Partikeln mittels Luftplasmaverfahren sprüht, welche eine Größe von etwa 35 bis etwa 110 Mikrometer aufweisen, wobei die zweite Haftbeschichtungsschicht 16b eine Porosität von weniger als 15 % und eine Oberflächenrauhigkeit von etwa 11 bis 19 Mikrometer (450 bis etwa 750 Mikroinches) Ra hat, welche den größeren Partikeln des zweiten Metallpulvers zugeschrieben werden kann; und die erste und zweite Haftbeschichtungsschicht 16a, 16b in einem Vakuum oder unter inerter Atmosphäre zur Diffusionsverbindung der zweiten Haftbeschichtungsschicht 16b mit der ersten Haftbeschichtungsschicht 16a wärmebehandelt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Metallpulver aus einer oxidbelagbildenden Zusammensetzung geformt ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Metallpulver aus einer oxidbelagbildenden Zusammensetzung geformt ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten und zweiten Metallpulver aus oxidbelagbildenden Metallzusammensetzungen gebildet werden, die ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Aluminium enthaltenden Intermetallverbindungen, Chrom enthaltenden Intermetallverbindungen, MCrAl, worin M Eisen, Nickel und/oder Kobalt entspricht, MCrAlY, worin M Eisen, Nickel und/oder Kobalt entspricht, und Mischungen daraus.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Metallpulver eine Partikelgrößenverteilung in Gewichtsprozent hat von etwa 19 % Partikel von 44 bis 55 μm, etwa 42 % Partikel von 31 bis 44 μm, etwa 31 % Partikel von 22 bis 31 μm und etwa 5 % Partikel von 16 bis 22 μm, und wobei das zweite Metallpulver eine Partikelgrößenverteilung in Gewichtsprozent hat von etwa 5 % Partikel von 75 bis 90 μm, etwa 25 % Partikel von 63 bis 75 μm, etwa 50 % Partikel von 53 bis 63 μm, etwa 15 % Partikel von 45 bis 53 μm und etwa 5 % Partikel von 38 bis 45 μm.
Verfahren nach Anspruch 1, welches weiterhin den Schritt umfasst, dass man die erste Haftbeschichtungsschicht 16a entfettet, bevor man die zweite Haftbeschichtungsschicht 16b aufbringt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Wärmebehandelns der erste Haftbeschichtungsschicht 16a die Diffusionsverbindung des ersten Metallpulvers mit dem Substrat 12 bewirkt.
Verfahren nach Anspruch 1, welches weiterhin den Schritt aufweist, dass man eine thermische Isolierschicht 18 auf der zweiten Haftbeschichtungsschicht 16b aufbringt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat 12 aus einer nickelbasierten Superlegierung gebildet wird.
Verfahren zum Aufbringen eines thermischen Barrierebeschichtungssystems 14, welches Verfahren die Schritte umfasst, dass man: ein nickelbasiertes Superlegierungssubstrat 12 bereitstellt; eine erste Haftbeschichtungsschicht 16a auf dem Substrat 12 mittels einer HVOF-Technik unter Verwendung eines ersten Metallpulvers aus Partikeln aufbringt, die eine Größe von etwa 20 bis etwa 55 Mikrometer haben, wobei die erste Haftbeschichtungsschicht eine Oberflächenrauhigkeit von etwa 5 bis 10 Mikrometern (200 bis etwa 400 Mikroinches) Ra hat; die erste Haftbeschichtungsschicht 16a bevor man sie einer oxidierenden Hochtemperaturumgebung aussetzt, in einem Vakuum oder unter inerter Atmosphäre wärmebehandelt, um die erste Haftbeschichtungsschicht 16a zu verdichten, die Partikel des ersten Metallpulvers diffusionsverbindet, und das erste Metallpulver mit dem Substrat 12 diffusionsverbindet; eine zweite Haftbeschichtungsschicht 16b auf der ersten Haftbeschichtungsschicht 16a abscheidet, indem man ein zweites Metallpulver aus Partikeln mittels Luftplasmaverfahren sprüht, welche eine Größe von etwa 35 bis etwa 110 Mikrometer haben, wobei die zweite Haftbeschichtungsschicht 16b eine Porosität von weniger als 5 % und eine Oberflächenrauhigkeit von etwa 11 bis 19 Mikrometern (450 bis etwa 750 Mikroinches) Ra hat, welche den größeren Partikeln des zweiten Metallpulvers zugeschrieben werden kann; die erste und zweite Haftbeschichtungsschicht 16a, 16b in einem Vakuum oder unter inerter Atmosphäre wärmebehandelt, bevor man sie einer oxidierenden Hochtemperaturumgebung aussetzt, um die zweite Haftbeschichtungsschicht 16b mit der ersten Haftbeschichtungsschicht 16a diffusionszuverbinden; und eine thermische Isolierschicht 18 auf der zweiten Haftbeschichtungsschicht 16b mittels Luftplasmasprühen aufbringt.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Metallpulver aus einer oxidbelagbildenden Zusammensetzung gebildet ist.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Metallpulver aus einer oxidbelagbildenden Zusammensetzung gebildet ist.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und zweite Metallpulver aus oxidbelagbildenden Metallzusammensetzungen gebildet sind, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Aluminium enthaltenden Intermetallverbindungen, Chrom enthaltenden Intermetallverbindungen, MCrAl, MCrAlY, und Mischungen daraus.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten und zweiten Metallpulver jeweils nominale Zusammensetzungen aufweisen in Gewichtsprozent von etwa 22 % Chrom, etwa 10 % Aluminium, etwa 1 % Yttrium, der Rest Nickel und zufällige Verunreinigungen.
Verfahren nach Anspruch 10, welches weiterhin den Schritt aufweist, dass man die erste Haftbeschichtungsschicht 16a entfettet, bevor man die zweite Haftbeschichtungsschicht 16b aufbringt.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat 12 aus einer nickelbasierten Superlegierung gebildet wird, die eine nominale Zusammensetzung in Gewichtsprozent hat von 14 Cr, 9,5 Co, 3 Al, 4,9 Ti, 1,5 Mo, 3,8 W, 2,8 Ta, 0,010 C, Rest Nickel und zufällige Verunreinigungen.
Verfahren zum Aufbringen eines thermischen Barrierebeschichtungssystems 14, welches Verfahren die Schritte umfasst, dass man: ein auf Nickel basiertes Superlegierungssubstrat 12 bereitstellt; eine erste Haftbeschichtungsschicht 16a auf dem Substrat 12 durch eine HVOF-Technik unter Verwendung eines ersten Metallpulvers aus Partikeln aufbringt, die eine Größenverteilung in Gewichtsprozent haben von etwa 19 % Partikel von 44 bis 55 μm, etwa 42 % Partikel von 31 bis 44 μm, etwa 31 % Partikel von 22 bis 31 μm und etwa 5 % Partikel von 16 bis 22 μm, wobei das erste Metallpulver aus einer einen Oxidbelag bildenden Metallzusammensetzung gebildet wird, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Aluminium enthaltenden Intermetallverbindungen, Chrom enthaltenden Intermetallverbindungen, MCrAl, MCrAlY und Mischungen daraus, wobei die erste Haftbeschichtungsschicht 16a eine Oberflächenrauhigkeit von etwa 5 bis 10 Mikrometern (200 bis etwa 400 Mikroinches) Ra hat; die erste Haftbeschichtungsschicht 16a in einem Vakuum oder unter inerter Atmosphäre bei einer Temperatur von etwa 950°C bis etwa 1150°C für eine Dauer von etwa 1 bis etwa 6 Stunden wärmebehandelt, um die Porosität der ersten Haftbeschichtungsschicht 16a auf weniger als 1 % zu verringern, bevor man sie einer oxidierenden Hochtemperaturumgebung aussetzt, die Partikel des ersten Metallpulvers mittels Diffusion verbindet, und das erste Metallpulver mit dem Substrat 12 mittels Diffusion verbindet; die erste Haftbeschichtungsschicht 16a entfettet; eine zweite Haftbeschichtungsschicht 16b auf der ersten Haftbeschichtungsschicht 16a mittels Luftplasmasprühens eines zweiten Metallpulvers aus Partikeln aufbringt, welche eine Größenverteilung aufweisen von etwa 5 % Partikel von 75 bis 90 μm, etwa 25 % Partikel von 63 bis 75 μm, etwa 50 % Partikel von 53 bis 63 μm, etwa 15 % Partikel von 45 bis 53 μm und etwa 5 % Partikel von 38 bis 45 μm, wobei das zweite Metallpulver aus einer oxidbelagbildenden Metallzusammensetzung gebildet wird, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Aluminium enthaltenden Intermetallverbindungen, Chrom enthaltenden Intermetallverbindungen, MCrAl, MCrAlY und Mischungen daraus, wobei die zweite Haftbeschichtungsschicht eine Porosität von weniger als 5 % hat und eine Oberflächenrauhigkeit von etwa 11 bis 19 Mikrometern (450 bis etwa 750 Mikroinches) Ra, welche den größeren Partikel des zweiten Metallpulvers zugeschrieben werden kann; bevor man sie einer oxidierenden Hochtemperaturumgebung aussetzt die erste und zweite Haftbeschichtungsschicht 16a, 16b in einem Vakuum oder unter inerter Atmosphäre bei einer Temperatur von etwa 950°C bis etwa 1150°C für eine Dauer von etwa 1 bis etwa 6 Stunden wärmebehandelt, um die zweite Haftbeschichtungsschicht 16b mit der ersten Haftbeschichtungsschicht 16a diffusionszuverbinden; und eine thermische Isolierschicht 18 auf der zweiten Haftbeschichtungsschicht 16b durch Luftplasmasprühen aufbringt.
Eine zweilagige Haftbeschichtung 16 hergestellt nach dem Verfahren aus Anspruch 17 aufweisend eine erste Haftbeschichtungsschicht 16a, unter Verwendung eines ersten Metallpulvers aus Partikeln, die eine Maximumgröße von etwa 55 Mikrometer haben, wobei die erste Haftbeschichtungsschicht eine Oberflächenrauhigkeit von etwa 5 bis 10 Mikrometern (200 bis etwa 400 Mikroinches) Ra hat; und eine zweite Haftbeschichtungsschicht 16b auf der ersten Haftbeschichtungsschicht 16a, unter Verwendung eines zweiten Metallpulvers aus Partikeln, welche eine Größe von etwa 35 bis etwa 110 Mikrometer haben, wobei die zweite Haftbeschichtungsschicht 16b eine Oberflächenrauhigkeit von etwa 11 bis 19 Mikrometern (450 bis etwa 750 Mikroinches) Ra hat, wobei die zweite Haftverbindungsschicht durch Plasmaluftsprühen abgeschieden ist.
Eine Haftbeschichtung 16 nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Metallpulver eine oxidbelagbildende Zusammensetzung ist.
Zweischichtige Haftbeschichtung 16 nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Metallpulver eine oxidbelagbildende Zusammensetzung ist.
Zweischichtige Haftbeschichtung 16 nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und zweite Metallpulver aus Zusammensetzungen gebildet sind ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Aluminium enthaltenden Intermetallverbindungen; Chrom enthaltenden Intermetallverbindungen; MCrAl, worin M gleich Eisen, Nickel und/oder Kobalt ist, MCrAlY, worin M gleich Eisen, Nickel und/oder Kobalt ist, und Mischungen daraus.
Zweischichtige Haftbeschichtung 16 nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Metallpulver eine Partikelgrößenverteilung in Gewichtsprozent von etwa 19 % Partikel von 44 bis 55 μm hat, etwa 42 % Partikel von 31 bis 44 μm, etwa 31 % Partikel von 22 bis 31 μm und etwa 5 % Partikel von 16 bis 22 μm, und wobei das zweite Metallpulver eine Partikelgrößenverteilung in Gewichtsprozent hat von etwa 5 % Partikel von 75 bis 90 μm, etwa 25 % Partikel von 63 bis 75 μm, etwa 50 % Partikel von 53 bis 63 μm, etwa 15 % Partikel von 45 bis 53 μm und etwa 5 % Partikel von 38 bis 45 μm.