DE69936088T2 - Wärmeschutz-Beschichtung und Herstellungsverfahren - Google Patents

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Description

  • Korrespondierende Anmeldungen
  • Die vorliegende Patentanmeldung korrespondiert zu der WO-A-97/29219 .
  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung betrifft Schutzbeschichtungen für metallische Gegenstände und insbesondere eine verbesserte Haftschicht eines keramischen thermischen Barrierebeschichtungssystems für Superlegierungssubstrate.
  • Hintergrund
  • Während des Betriebes eines Gasturbinentriebwerkes sind Bauteile in heißen Bereichen, wie beispielsweise Turbinenlaufschaufel- und Turbinenleitschaufelprofile, Brennkammern und Abgasdüsen, oxidierendem und korrosivem Hochtemperaturverbrennungsabgas ausgesetzt. Weil diese Bauteile oftmals gleichzeitig in einem hohen Ausmaß thermisch und mechanisch induzierter Belastung ausgesetzt sind, sind auf dem Fachgebiet zahlreiche Techniken für die Ausgestaltung und die Herstellung dieser Bauteile entwickelt worden, um über den gesamten Betriebsbereich des Treibwerks eine Aufrechterhaltung der strukturellen und metallurgischen Integrität zu gewährleisten. Beispielsweise werden die Bauteile typischerweise aus Materialzusammensetzungen, wie beispielsweise aus Superlegierungen auf Nickel- und Kobalt-Basis, hergestellt, welche bei erhöhten Temperaturen in dem Betriebsbereich die gewünschten Eigenschaften aufweisen. In dem Fall von Turbinenprofilen wird die ausgewählte Legie rung im Allgemeinen durch Gießen gebildet. Für eine verbesserte Hochtemperaturfestigkeit kann die Kornstruktur während der Verfestigung des Gusses vorteilhafterweise so gesteuert werden, dass eine gerichtete verfestigte oder eine Einzelkristallform erzeugt wird, wodurch eine größere Festigkeit für eine vorgegebene Legierungszusammensetzung geschaffen wird.
  • Zusätzlich zu der Verbesserung der Bauteilfestigkeit durch die Auswahl der Legierungszusammensetzung und die Steuerung des Gießprozesses werden sowohl innere als auch äußere Kühlsysteme umfangreich eingesetzt, um die Bauteiltemperaturen unterhalb kritischer Werte zu halten. Maßgeschneidertes Schleierkühlen bzw. Filmkühlen von Außenoberflächen und ausgefeiltes Kühlen mit turbulenten Strömungen von schlangenartig geformten inneren Hohlräumen in den Gussprofilen werden dementsprechend routinemäßig bei fortgeschrittenen Gasturbinentriebwerksausgestaltungen eingesetzt, um das Einbringen von thermischer Energie in das Bauteil zu verringern und um dessen Temperaturanstieg zu reduzieren.
  • Trotz der Anstrengungen, diese verschiedenen Ansätze sowohl allein als auch in Kombination zu optimieren, ist der Wirkungsgrad fortgeschrittener Gasturbinentriebwerksausgestaltungen durch die Unfähigkeit der Hochtemperaturteilbauteile beschränkt, unter erhöhter mechanischer und thermischer Belastung akzeptable Betriebslebensdauern zu erreichen. Ein weiteres von Fachleuten auf dem technischen Gebiet der Gasturbinentriebwerksausgestaltung eingesetztes Verfahren ist die Verwendung einer relativ dünnen, isolierenden Keramikaußenschicht auf den dem Abgasstrom ausgesetzten Oberflächen. Diese erleichtert den Betrieb der Bauteile bei höheren Betriebstemperaturen. Diese Beschichtungen, welche in der Industrie im Allgemeinen als thermische Barrierebeschichtungen oder TBC's bezeichnet werden, schützen das Metallsubstrat des Bauteils wirksam vor extremen Temperaturen. Durch die Verringerung des Einbringens von thermischer Energie in das Bauteil werden höhere Verbrennungsabgastemperaturen und/oder eine effizientere Verwendung von Kühlströmungen realisiert, was zu einer Erhöhung des Betriebswirkungsgrades des Triebwerks führt.
  • Keramikbeschichtungen neigen dazu, sich aufgrund von Unterschieden in den Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen der relativ spröden Keramik und dem duktileren Superlegierungssubstrat an oder nahe der Keramik/Substrat-Grenzfläche abzulösen. Anschließend kann die Keramik von der Bauteiloberfläche absplittern oder sich von dieser trennen. Dieser Fehlermechanismus wird unter Bedingungen von Temperaturwechselbeanspruchung, welche dem Gasturbinentriebwerksbetrieb inhärent sind, verschlechtert und beschleunigt. Um ein vorschnelles Versagen der Keramik zu vermeiden, wurden Verfahren entwickelt, um Keramikbeschichtungen bereitzustellen, welche gegenüber Verzerrungen tolerant sind. Gewisse moderate Betriebsanwendungen verwenden poröse oder vorgerissene Keramikschichten. In raueren Betriebsumgebungen, wie beispielsweise in solchen, welche man in hochentwickelten Gasturbinentriebwerken findet, werden auf dem Fachgebiet spannungstolerante, offene säulenartige Keramikkristallstrukturen genutzt, wie beispielsweise diejenigen, welche in dem US Patent Nr. 4,321,311 von Strangman beschrieben worden sind. Beträchtliche Aufmerksamkeit wurde auch der Verwendung einer Zwischen- oder Haftschicht gewidmet, welche zwischen dem Substrat und der Keramikschicht angeordnet ist. Die Haftschicht gebraucht eine Zusammensetzung, welche derart ausgestaltet ist, dass diese sowohl die chemische Haftfestigkeit zwischen der Keramik und dem Metallsubstrat verstärkt als auch in dem Fall eines vorzeitigen Verlustes des Keramiküberzugs als eine Schutzbeschichtung dient.
  • Derzeit gibt es zwei Hauptklassen von Haftschichtzusammensetzungen, welche herkömmlicherweise in TBC-Mehrschichtsystemen dieser Art eingesetzt werden, von denen jede inhärente Mängel aufweist, welche deren Nutzungsdauer verkürzt. Eine Art von Metallhaftschicht, welche von Konstrukteuren von Gasturbinentriebwerken typischerweise spezifiziert wird, wird als MCrAlY-Legierung bezeichnet, wobei M Eisen, Kobalt, Nickel oder eine Mischungen hiervon ist. Die anderen Hauptbestandteile, nämlich Chrom, Aluminium und Yttrium, sind durch ihre chemischen Symbole dargestellt. Bei der Beschichtung eines Superlegierungssubstrats wird die MCrAlY-Haftschicht zuerst durch ein Verfahren, wie beispielsweise physikalische Dampfabscheidung ("PVD") oder Niederdruckplasmasprühen, auf das Substrat aufgebracht. Aufgrund ihrer Fähigkeit, einen dünnen haftenden äußeren Schutzfilm aus Aluminiumoxid oder Tonerde zu bilden, ist die MCrAlY-Legierungsklasse charakteristischerweise gegenüber Oxidation bei erhöhten Temperaturen, wie sie bei Hochtemperaturteilbauteilen herrscht, sehr resistent. Zusätzlich zu dem Verleihen von Schutz schafft der Aluminiumoxidfilm auch eine chemisch kompatible Oberfläche, auf der der isolierende Keramiküberzug wachsen soll. Wie dem Fachmann auf dem technischen Gebiet bekannt ist, ist der am häufigsten verwendete Keramiküberzug Zirkoniumoxid oder Zirkonerde, welcher durch den Zusatz von Oxiden von Yttrium, Magnesium oder Calcium entweder teilweise oder vollständig stabilisiert ist. Durch das Wachstum von offenem, säulenförmig strukturiertem, stabilisiertem Zirkoniumoxid auf dem Aluminiumoxidfilm weist die Mehrschichtbeschichtung unter Wechseltemperaturbedingungen eine verbesserte Integrität gegenüber Keramiküberzügen auf, welche direkt auf dem Metallsubstrat angeordnet sind, wodurch dem darunter liegenden Bauteil über einen ausgedehnten Zeitraum der beabsichtigte Isolationsschutz verliehen wird.
  • Während gezeigt worden ist, dass solche TBC-Systeme auf MCrAlY-Basis gegenüber Systemen ohne MCrAlY-Haftschicht eine erhöhte Lebensdauer aufweisen, tritt ein Abblättern des Keramiküberzugs und eine Fehlfunktion weiterhin auf, wenngleich nach einer größeren Anzahl von Temperaturzyklen. Es ist allgemein anerkannt worden, dass der Fehlermechanismus mit der Diffusion von Substratlegierungsbestandteilen durch die MCrAlY-Haftschicht zusammenhängt. Weil die MCrAlY-Legierungen hauptsächlich vom festen Lösungstyp sind, bieten diese wenig Widerstand gegenüber der Diffusion von Elementen aus dem darunter liegenden Superlegierungssubstrat, was für die Grenzflächenhaftfestigkeit nachteilig ist. Beim Erreichen der Aluminiumoxidzwischenschicht verursacht die Anwesenheit der diffundierten Bestandteile eine Verschlechterung der MCrAlY/Aluminiumoxid Haftfestigkeit und eine Beschleunigung in der Wachstumsgeschwindigkeit des Aluminiumoxidfilms, was zu einer Zersetzung und zu einer Fehlfunktion des Keramiküberzugs führt.
  • Eine andere Art von Haftschicht, welche von Fachleuten auf diesem technischen Gebiet routinemäßig spezifiziert wird, enthält eine Klasse von Materialien, welche als Aluminide bekannt sind. Diese sind beliebte Zusammensetzungen für Gasturbinentriebwerksbauteile und enthalten mit Nickel, Kobalt und Eisen modifizierte Aluminide sowie mit Platin modifizierte Aluminide. Im Allgemeinen sind Aluminide Zwischenphasen oder intermetallische Verbindungen mit physikalischen, chemischen und mechanischen Eigenschaften, welche sich von denen konventionellerer MCrAlY-Haftschichten beträchtlich unterscheiden. Wie nachfolgend erörtert, sind einige Aluminidzusammensetzungen dafür bekannt, geeignete Beschichtungen für und aus sich selbst zu sein, um Legierungen auf Basis von Eisen, Kobalt und Nickel vor Oxidation und Korrosion zu schützen; allerdings können einige Aluminide auch als Haftschichten für Keramiküberzüge in TBC-Systemen eingesetzt werden.
  • Das TBC-System auf Aluminid-Basis ist insoweit dem TBC-System auf MCrAlY-Basis ähnlich, als dass die Aluminidhaftschicht zuerst durch herkömmliche Diffusionsverfahren, wie beispielsweise Packzementation ("pack cementation"), wie von Duderstadt et al. in dem US Patent Nr. 5,238,752 und von Strangman in der veröffentlichten GB Patentanmeldung GB 2,285,632 A , deren Offenbarungen hiermit durch Referenz eingeführt werden, beschrieben, auf der Substratoberfläche ausgebildet wird. Das mit Aluminid beschichtete Bauteil weist ebenfalls eine Oberflächenzusammensetzung auf, welche, wenn oxidiert, leicht einen Aluminiumoxidschutzfilm bildet. Ein Keramiküberzug herkömmlicher Zusammensetzung und Struktur, wie vorstehend beschrieben, komplettiert das TBC-System.
  • Wie bei dem TBC auf MCrAlY-Basis ist die Festigkeit der Haftung zwischen der Aluminidhaftschicht und der Aluminiumoxidzwischenschicht der schwache Punkt. Anstelle einer Zersetzung als eine Funktion der Diffusionsinstabilität wie in TBC-Systemen auf MCrAlY-Basis ist allerdings die Aluminid/Aluminiumoxid Haftung inhärent relativ schwach. Der Fehlermechanismus für diese herkömmlichen Aluminid-Diffusionsbeschichtungen ist die wiederholte Bildung, Abblätterung und Wiederbildung des Aluminiumoxidfilms unter Temperaturwechselbedingungen beim typischen Betrieb von Gasturbinentriebwerken, wobei die eventuelle Abnutzung von Aluminium in der Aluminidhaftschicht unterhalb einer kritischen Konzentration liegt.
  • Trotz der betriebsbedingten Unzulänglichkeiten der TBC-Systeme auf Aluminid-Basis gibt es einige anerkannte Vorteile von TBC-Systemen auf Aluminid-Basis gegenüber TBC-Systemen auf MCrAlY-Basis. Beispielsweise werden Aluminidhaftschichten typischerweise durch kostengünstigere Verfahren aufgebracht und enthalten nicht den teuren, strategischen Bestandteil Chrom, wie er in MCrAlY-Haftschichten erforderlich ist. Des Weiteren weisen die Aluminidhaftschichten einen beträchtlich höheren Schmelzpunkt und eine geringere Dichte auf. Dies sind wichtige Aspekte beim Beschichten von Bauteilen, wie beispielsweise Turbinenlaufschaufelprofilen, welche bei hohen Temperaturen und hohen Umdrehungsgeschwindigkeiten arbeiten. Wichtiger ist jedoch, dass Aluminidhaftschichten eine beträchtlich niedrigere Solubilität für die in der Substratlegierung gelösten Elemente aufweisen, was deren Diffusion zu der sehr wichtigen Aluminid/Aluminiumoxid-Grenzflächenverbindung verzögert.
  • Die mit den Aluminidhaftschichten verbundenen Hauptnachteile sind mit den inhärenten metallurgischen Charakteristika, welche aus der Erzeugung der Haftschicht durch Diffusion resultieren, zurückzuführen. Die Herstellung einer herkömmlichen Aluminidhaftschicht beruht auf der Reaktion der Substratlegierung mit Aluminium aus einer an Aluminium reichen Gasquelle und der Interdiffusion mit dem metallurgischen Substrat. Die gasförmige Aluminiumquelle kann durch jedes einer Vielzahl von herkömmlichen Verfahren hergestellt werden. Beispielsweise erörtert Duderstadt et al. die Herstellung einer Aluminidhaftschicht auf einem Superlegierungssubstrat auf Nickel- oder Kobalt-Basis vorzugsweise durch das Packzementationsverfahren. Gemäß diesem Verfahren reagiert Aluminium aus einem Aluminiumhalogenidgas in der Packmischung und interdiffundiert über die Zeit bei einer erhöhten Temperatur mit der Substratoberfläche. Strangman diskutiert die Herstellung von Aluminidhaftschichten durch Reagieren eines Bauteilsubstrats aus einer Superlegierung auf Basis von Nickel, Eisen oder Kobalt mit einem aluminiumreichen Dampf bei erhöhter Temperatur. Strangman bezieht sich ausschließlich auf den Ausdruck "Diffusionsaluminid" als Eigenschaft der resultierenden Haftschicht. Diese Charakterisierung entspricht genau dem Verfahren zur Herstellung der Aluminidhaftschicht, nämlich durch Diffusion. Als Ergebnis des Diffusionsverfahrens enthält die Aluminidhaftschicht, abhängig von dem Hauptbestandteil des Superlegierungssubstrats, Nickel, Eisen oder Kobalt aus dem Substrat des zu beschichtenden Bauteils. Ferner sind viele der Basislegierungselemente des Substrats ebenfalls notwendigerweise in dem Aluminid-Reaktionsprodukt, welches sich auf der Bauteiloberfläche bildet, enthalten, welche letztlich für die Integrität des TBC-Systems nachteilig sind. Diese Legierungselemente sind daher in der hergestellten Aluminidhaftschicht enthalten und können den Aluminiumoxidfilm, welcher sich eventuell darauf bildet, nachteilhaft beeinträchtigen.
  • Eine andere signifikante Unzulänglichkeit der Aluminidhaftschicht ist mit der Aluminidzusammensetzung verbunden, weil diese die Haftung des Aluminiumoxidfilms oder das Ausmaß beeinträchtigt. Strangman offenbart den Zusatz von Silizium-, Hafnium-, Platin- und Oxidpartikeln, wie beispielsweise Aluminiumoxid, Yttriumoxid und Hafniumoxid, zu der Aluminidzusammensetzung, um die Haftung des Aluminiumoxidfilms zu verbessern. Allerdings sind die vorteilhaften Effekte dieser Elemente durch die Gegenwart der zuvor beschriebenen Basislegierungselemente, welche einer ausreichenden Aluminiumoxidhaftung abträglich sind, wenigstens teilweise kompensiert.
  • Einige Aluminidzusammensetzungen werden wie vorstehend ausgeführt nicht als Haftschichten in TBC-Systemen, sondern vielmehr allein als Schutzbeschichtungen ohne Keramiküberzüge eingesetzt. Bei derartigen Anwendungen ist es ein Ziel der Fachleute auf diesem technischen Gebiet, das darunter liegende Substrat des Gegenstandes vor chemisch aggressiven Abgasen durch Verzögern der Umgebungszersetzung der Substratlegierung aufgrund beschleunigter Oxidation und heißer Korrosion zu schützen. Bezüglich der vorteilhaften Wirkungen der Zusätze reaktiver Elemente, hauptsächlich in ausschließlich für Beschichtungszwecke eingesetzten Aluminid-Beschichtungen, sind Forschungen durchgeführt und Patente erteilt worden. Beispielsweise beschreibt das US-Patent Nr. 4,835,011 von Olson et al., dessen Offenbarung hiermit als Referenz eingeführt wird, ein Verfahren zum Bilden einer Diffusionsalumininidbeschichtung auf einer Superlegierung auf Nickel- oder Kobalt-Basis durch Erhitzen des zu beschichtenden Gegenstandes in der Gegenwart einer Pulvermischung, welche eine Legierung oder eine Mischung von Aluminium, Yttrium und einem oder mehreren von Chrom, Nickel, Kobalt, Silizium und Titan, einen Halogenidaktivator, wie beispielsweise Kobaltiodid, sowie einen inerten Füllstoff, wie beispielsweise Yttriumoxid, enthält. Es kann ebenfalls auf einem Artikel mit dem Titel "Hot Corrosion of Yttriummodified Aluminide Coatings", Materials Science and Engineering, A121 (1989), S. 387–389 verwiesen werden, in dem die Forscher eine verbesserte Heißkorrosionsbeständigkeit von Aluminidbeschichtungen, wenn diese mit Yttrium modifiziert sind, diskutierten. Ferner beschreibt C.A. Barrett in NASA Technical Memorandum 101408 mit dem Titel "The Effect of 0.1 Atomic Percent Zirconium an the Cyclic Oxidation Behavior of β-NiAl for 3000 hours at 1200°C" die vorteilhaften Wirkungen von Zirkonium auf die zyklische Oxidationsbeständigkeit von Nickelaluminid. Keine dieser Entgegenhaltungen offenbart oder erwägt die Verwendung einer dieser Zusammensetzungen als eine Haftschicht in einem Keramik-TBC-System.
  • Die Folgen des Versagens des TBC-Systems sind greifbar und kostenträchtig. Zunächst muss die thermische Betriebsbegrenzung bei der Ausgestaltung des Gasturbinentriebwerks berücksichtigt werden, um eine Überhitzung und eine Fehlfunktion von Bauteilen in heißen Bereichen zu vermeiden. Durch ein Begrenzen der Verbrennungsparameter auf weniger als stöchiometrisch wird der realisierbare Wirkungsgrad des Triebwerks verringert unter Erhöhung des Treibstoffverbrauchs sowie der Mengen unverbrannter Kohlenwasserstoffe und anderer Verunreinigungen. Ferner setzen Grundparameter des Triebwerksbetriebs das Vorhandensein gleichmäßiger Keramiküberzüge voraus und die Lebensdauer der Keramiküberzüge ist oftmals beträchtlich kürzer als die Lebensdauer des darunter liegenden Bauteils. Dies bedeutet, dass die Triebwerke in vorgegebenen Zeitintervallen, welche beispielsweise auf Betriebsstunden oder Temperaturzyklen basieren, für Wartungszwecke aus dem Betrieb genommen werden müssen. Die Verbrennungskammer, die Turbine und die Abgasmodule werden auseinandergebaut und die beschichteten Teile werden entfernt, abisoliert, inspiziert und wiederbeschichtet. Mit der Nichtverfügbarkeit des Flugzeugs und des Triebwerks sind beträchtliche Kosten verbunden. Des Weiteren sind beträchtliche direkte Kosten mit den Arbeitskräften, mit dem Werkzeug und mit Materialien verbunden, welche für die Entfernung, die Wiederbeschichtung und die Reinstallation der betroffenen Gegenstände benötigt werden. Weitere ungeplante Triebwerksausbauten werden immer dann erzwungen, wenn eine Endoskopinspektion der Innenkonfiguration des Triebwerks eine Schwächung des TBC-Systems außerhalb vorbestimmter Feldbetriebsbestimmungen aufzeigt, was den Betrieb weiter stört und die Instandhaltungskosten weiter erhöht.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Gemäß der in den Patentansprüchen gelehrten Erfindung werden ein verbessertes TBC-System sowie Anwendungsverfahren hauptsächlich für die Verwendung auf Gegenständen aus Superlegierungen auf Basis von Nickel und Kobalt, wie beispielsweise Bauteilen in heißen Abschnitten von Gasturbinentriebwerken, sowie für die Verwendung auf Gegenständen aus Superlegierungen auf Basis von Eisen offenbart. Superlegierungen sind allgemein als eine Klasse von Metalllegierungen definiert, welche für Hochfestigkeits- und Hochtemperaturanwendungen geeignet sind, und welche eine erhöhte Oxidationsbeständigkeit aufweisen. Ein Superlegierungssubstrat wird zunächst mit einer Haftschicht mit einer MAlY-Zusammensetzung, in der M Nickel, Kobalt, Eisen oder Kombinationen hiervon ist, beschichtet. Eine Zwischenschicht aus Aluminiumoxid wird auf der MAlY-Haftschicht ausgebildet und ein Keramiküberzug wird allumfassend aufgebracht. Wie hier verwendet, bezeichnet das chemische Symbol "Y" die Verwendung reaktiver Elemente, wie beispielsweise Yttrium. Ferner bezeichnet der Begriff "Aluminiumerde", wie hier verwendet, vornehmlich Aluminiumoxid, welches durch die Gegenwart reaktiver Elemente so verändert sein kann, dass dieses beispielsweise Yttrium- oder Zirkoniumoxide enthält. Die Aluminiumoxidschicht kann ebenfalls als eine thermisch gewachsene Oxidschicht oder als TGO-Schicht bezeichnet werden.
  • Die Bindungsstärke oder Haftung zwischen der MAlY-Haftschicht und dem Aluminiumoxidfilm ist gegenüber herkömmlichen Aluminid- und MCrAlY-Haftschichten erhöht, indem die Zusammensetzung der Haftschicht auf zwischen 10 und 30 Gewichtsprozent Aluminiumoxid, zwischen Spurenmengen und 3 Gewichtsprozent Yttrium oder einem anderen reaktiven Element, wie beispielsweise Zirkonium, Hafnium, Scandium oder jedem beliebigen Lanthanid (d.h. Atomzahl 57–71 inklusive), entweder alleine oder in Mischungen hiervon, und dem Rest ausgewählt aus Nickel, Kobalt und Eisen, entweder alleine oder Mischungen hiervon, erheblich eingeschränkt ist. Durch das spezifische Ausschließen von Chrom aus der Haftschicht mit den vorgenannten Zusammensetzungsbereichen in Kombination mit einer Erhöhung des Aluminiumgehalts kann die Diffusionsstabilität der chromfreien MAlY-Haftschicht gegenüber herkömmlichen MCrAlY-Haftschichten beträchtlich verbessert werden. Im Ergebnis bewirkt die vorliegende Erfindung eine beträchtliche Verringerung der Diffusion der Bestandteile der Substratlegierung durch die MAlY-Haftschicht und die Aufrechterhaltung einer starken MAlY-Aluminiumoxid-Haftung, welche gegenüber einer Verschlechterung bei erhöhter Temperatur als eine Funktion der Zeit beständig ist, unter gleichzeitiger Erhöhung der Integrität des Keramiküberzugs.
  • Ein weiterer Vorteil des Ausschlusses von Chrom aus der Haftschicht hängt mit dem hohen Dampfdruck von Chrom und der Oxidationsprodukte von Chrom zusammen. Bei mittleren Betriebstemperaturen, beispielsweise zwischen ungefähr 700°C und ungefähr 950°C, überwiegen die vorteilhaften Effekte von Chrom bezüglich der Beständigkeit gegenüber Sulfidierung oder Heißkorrosion typischerweise gegenüber den nachteiligen Effekten; bei höheren Betriebstemperaturen allerdings sind die reine Oxidationsbeständigkeit und der Temperaturschutz vorherrschende Ziele der Fachleute. Innerhalb dieses Betriebsbereiches, in dem verbesserte TBC-Systeme für die Durchführung benötigt werden, kann ein hoher Chromgehalt in der Haftschicht nachteilig sein.
  • Ferner ist die MAlY/Aluminiumoxid-Haftung sogar stärker als die einer herkömmlichen modifizierten Aluminid/Aluminiumoxid-Haftung. Des Weiteren wird die Wachstumsgeschwindigkeit des Aluminiumoxidfilms durch die Gegenwart von Yttrium oder einem anderen reaktiven Element verringert und der kombinierte Effekt zeigt eine Verbesserung gegenüber herkömmlichen TBC-Systemen auf Aluminid-Basis.
  • Gemäß der in den Patentansprüchen gelehrten Erfindung werden ein verbessertes TBC-System sowie Anwendungsverfahren hauptsächlich für die Verwendung auf Gegenständen aus Superlegierungen auf Nickel- und Kobalt-Basis, wie beispielsweise Bauteilen in heißen Bereichen von Gas turbinentriebwerken, sowie für die Verwendung auf Gegenständen aus Superlegierungen auf Eisen-Basis offenbart. Ein Superlegierungssubtrat wird zunächst mit einer Edelmetallhaftschicht beschichtet, welche eine Zusammensetzung aufweist, die Aluminium, ein oder mehrere Edelmetalle und ein oder mehrere reaktive Elemente mit dem Rest Nickel, Kobalt, Eisen oder Mischungen hiervon enthält. Auf der Edelmetallhaftschicht wird eine Zwischenschicht aus Aluminiumoxid gebildet und über allem wird ein Keramiküberzug aufgebracht. Der Begriff "Edelmetall" bezeichnet, wie hier verwendet, inaktive oder inerte, korrosionsbeständige Elemente, nämlich Ruthenium, Rhodium, Palladium, Silber, Osmium, Irridium, Platin und Gold.
  • Die Bindungsstärke oder Haftung zwischen der Edelmetallhaftschicht und dem Aluminiumoxidfilm ist gegenüber herkömmlichen Aluminid- und MCrAlY-Haftschichten erhöht, indem die Zusammensetzung der Haftschicht auf zwischen 10 und 30 Gewichtsprozent Aluminium, zwischen 2 und 60 Gewichtsprozent Edelmetall, zwischen Spurenmengen und 3 Gewichtsprozent Yttrium oder anderem reaktiven Element, wie beispielsweise Zirkonium, Hafnium, Scandium oder jedes beliebige Lanthanid, entweder alleine oder in Mischungen hiervon, und dem Rest ausgewählt aus Nickel, Kobalt und Eisen, entweder alleine oder in Mischungen hiervon, beträchtlich eingeschränkt ist.
  • Die Bindungsstärke zwischen der Edelmetallhaftschicht und dem Aluminiumoxidfilm ist gegenüber herkömmlichen TBC-Systemen teilweise aufgrund der Gegenwart von reaktiven Elementen beträchtlich erhöht. Die Zusammensetzung der Edelmetallhaftschicht und die darin enthaltenen reaktiven Elemente beeinträchtigen den Diffusionsmechanismus der Bestandteile aus der Substratlegierung durch die Haftschicht. Dementsprechend wird die Diffusion der Bestandteile in die Aluminiumoxid- Schicht sowie die Wachstumsgeschwindigkeit der Aluminiumoxidschicht verringert. Des Weiteren werden die Initiierung und Ausbreitung von Rissen, welche an der Grenzfläche der Haftschicht und der Aluminiumoxidschicht auftreten können, verringert, so dass die regelmäßige Lebensdauer des TBC-Systems verbessert wird. Dieser Effekt ist auf die Oxidpräzipitate der reaktiven Elemente, welche als Dotierungen an der Grenzfläche der Haftschicht/Aluminiumoxidschicht vorliegen, zurückzuführen. Die für das Erklären des vorteilhaften Einflusses der Oxidpräzipitate brauchbaren Mechanismen sind von Autoren, wie beispielsweise von E. Orowan in AIME Publications "Dislocations in Metals" (1954) auf Seite 69 und von Kelly und Fine in "Werkstofftechnik Metalle I" (1992) herausgegeben von O. Knotek und E. Lugscheider (Vorlesungsumdruck für die Vertieferrichtung, Werkstofftechnik, 1992) auf den Seiten 2.14 und 2.15, deren Offenbarungen hierin als Referenz eingeführt werden, beschrieben worden. Die Bildung von Oxidpräzipitaten an der Grenzfläche kann das Ergebnis des zur Herstellung des TBC-Systems eingesetzten Beschichtungsverfahrens sein. Alternativ dazu oder zusätzlich dazu kann die Bildung von Oxidpräzipitaten aus der Verwendung des beschichteten Gegenstandes in dem Triebwerk resultieren.
  • Unterschiedliche Verfahren können eingesetzt werden, um die verbesserte MAlY-Haftschicht auf ein Substrat eines Gegenstandes aus einer Superlegierung aufzubringen. Beispielsweise wird in einem ersten, zu dem für das Aufbringen einer herkömmlichen Haftschicht ähnlichen Verfahren Yttrium und/oder anderes reaktives Element zunächst auf dem Substrat unter Einsatz einer Elektronenstrahl-PVD gefolgt von Gasphasen- oder Packzementationsaluminieren abgeschieden. Obwohl dieses Verfahren die zuvor mit Bezug zu den Diffusionsaluminiden beschriebenen Unzulänglichkeiten aufweist, verbessert die Anwesenheit von Yttrium oder anderem reaktiven Element aus den vorgenannten Gründen das Ausmaß der Oxidhaftung beträchtlich. Eine einfache physikalische oder chemische Dampfabscheidung reaktiver Elemente auf der Oberfläche einer herkömmlichen Aluminidbeschichtung könnte bewirkt werden, um die gewünschte Modifikation der Oberflächenzusammensetzung zu erbringen. Alternativ dazu kann gemäß bevorzugten Ausführungsformen Ionen-PVD oder Sputtern eingesetzt werden, um das Substrat unter Einsatz einer vorlegierten MAlY-Kathode zu beschichten. Ein weiteres bevorzugtes Verfahren nutzt Vakuum- oder Niederdruck-Plasmabesprühen von vorlegiertem MAolY-Pulver auf das Substrat. Ein weiteres Verfahren umfasst die Abscheidung von Nickel und die simultane Abscheidung eines Aluminium-Yttrium-Legierungspulvers. Bei allen drei bevorzugten Verfahren wird das beschichtete Bauteil nachfolgend einem thermischen Prozesszyklus unterworfen, um die Beschichtung metallurgisch mit der Bauteiloberfläche zu verbinden und in dem letztgenannten Beispiel die Beschichtung hinsichtlich der Zusammensetzung zu homogenisieren. Typischerweise würde eine Hitzebehandlung für ungefähr zwei Stunden bei ungefähr 1080°C im Vakuum durchgeführt werden, um die metallurgische Bindung zu bewirken. Gemäß den bevorzugten Verfahren enthält die so hergestellte MAlY-Haftschicht maximal Spuren von Legierungsbestandteilen aus dem Superlegierungssubstrat, weil die Zusammensetzung der MAlY-Haftschicht vor deren Aufbringen auf der Substratoberfläche gebildet wird, und weil ihr Aufbringen keine Diffusionsreaktion, welche das Substrat einbezieht, nutzt. Dementsprechend ist die Haftschicht im Wesentlichen chromfrei. Eine geringe Menge Chrom kann bei den Betriebstemperaturen über einen ausgedehnten Zeitraum in die Haftschicht diffundieren. Die hierdurch erwarteten nachteiligen Wirkungen werden, verglichen mit anderen Beschichtungsalternativen, aufgrund sowohl der unbedeutenden Menge von diffundiertem Chrom als auch aufgrund des benötigten, relativ zu der Lebenszeit des darunter liegenden Bauteils außerordentlich langen Zeitraums, als gering erachtet. In allen diesen Verfahren kann das Alumini umoxidwachstum der abgeschiedenen MAlY-Haftschicht und das Aufbringen des Keramiküberzugs durch herkömmliche Verfahren erreicht werden.
  • Es können ebenfalls unterschiedliche Verfahren eingesetzt werden, um die Edelmetallhaftschicht auf ein Substrat eines Gegenstandes aus einer Superlegierung aufzubringen. Beispielsweise kann die Edelmetallhaftschicht gemäß einem ersten Verfahren durch PVD, beispielsweise durch Elektronenstrahl-PVD, unter Einsatz einer Quelle oder unter Einsatz mehrerer Quellen enthaltend Aluminium, ein Edelmetall oder eine Mischung von Edelmetallen sowie ein reaktives Element oder eine Mischung von reaktiven Elementen aufgebracht werden. Alternativ dazu kann die Edelmetallhaftschicht durch thermische Sprühtechniken, wie beispielsweise Plasmasprühen eines Pulvers enthaltend Aluminium, ein Edelmetalls oder eine Mischung von Edelmetallen sowie ein reaktives Element oder eine Mischung von reaktiven Elementen aufgebracht werden. Des Weiteren kann die Edelmetallhaftschicht durch eine Kombination von Verfahren unter Einsatz eines Mehrschrittansatzes, beispielsweise durch Abscheiden eines Edelmetalls oder einer Mischung von Edelmetallen und eines reaktiven Elements oder einer Mischung von reaktiven Elementen in einem einzelnen Schritt oder in getrennten Schritten, aufgebracht werden. Die Abscheidung dieser Schichten kann in jeder Reihenfolge, gefolgt von der Abscheidung des Aluminiums, vollzogen werden.
  • Gemäß allen diesen Verfahren wird das beschichtete Bauteil anschließend einem thermischen Prozesszyklus unterworfen, um die Beschichtung mit der Bauteiloberfläche metallurgisch zu verbinden und/oder um die Beschichtung hinsichtlich der Zusammensetzung zu homogenisieren. Typischerweise würde eine Wärmebehandlung für ungefähr zwei Stunden bei ungefähr 1080°C im Vakuum durchgeführt werden, um die metallurgische Verbindung zu bewirken. Gemäß diesen Verfahren enthält die so hergestellte Edelmetallhaftschicht maximal Spuren an Legierungsbestandteilen aus dem Superlegierungssubstrat, weil die Zusammensetzung der Edelmetallhaftschicht vor ihrem Aufbringen auf die Substratoberfläche gebildet worden ist, und weil ihr Aufbringen keine das Substrat einbeziehende Diffusionsreaktion nutzt. Dementsprechend ist die Haftschicht im Wesentlichen chromfrei. Über einen ausgedehnten Zeitraum könnte bei Betriebstemperaturen eine geringe Menge Chrom in die Haftschicht diffundieren. Die erwarteten nachteiligen Effekte hiervon werden verglichen mit anderen Beschichtungsalternativen aufgrund sowohl der unbedeutenden Menge an diffundiertem Chrom als auch aufgrund des benötigten, relativ zu der Lebenszeit des darunter liegenden Bauteils außerordentlich langen Zeitraums als gering erachtet. In allen diesen Verfahren kann das Aluminiumoxidwachstum auf der abgeschiedenen Edelmetallhaftschicht und das Aufbringen des Keramiküberzugs durch herkömmliche Verfahren erreicht werden.
  • Für jede der MAlY- oder Edelmetallhaftschichten kann der Keramiküberzug mehrere Schichten aufweisen, von denen benachbarte Schichten im Allgemeinen säulenartige Kornmikrostrukturen mit unterschiedlichen Kornorientierungsrichtungen aufweisen, wie dies in der US-A-6,455,173 mit dem Titel "Thermal Barrier Coating Ceramic Structure", deren Offenbarung hiermit als Referenz vollständig eingeführt wird, beschrieben wurde.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Die vorliegende Erfindung wird anhand bevorzugter und beispielhafter Ausführungsformen zusammen mit weiteren Vorteilen hiervon in der nachfolgenden detaillierten Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen genauer beschrieben, in denen:
  • 1 eine schematische Querschnittsansicht eines typischen Gasturbinentriebwerks ist, welche Bauteile in heißen Bereichen darstellt, welche sich für das Aufbringen eines TBC-Systems gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eignen;
  • 2A eine vergrößerte schematische Querschnittsansicht eines Teilstücks eines mit einem TBC-System gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschichteten Superlegierungsgegenstandes ist;
  • 2B eine vergrößerte schematische Querschnittsansicht eines Teilstücks eines mit einem TBC-System gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschichteten Superlegierungsgegenstandes ist;
  • 3A eine vergrößerte schematische Querschnittsansicht eines Teilstücks eines mit einem TBC-System gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschichteten Superlegierungsgegenstandes ist und
  • 3B eine vergrößerte schematische Querschnittsansicht eines Teilstücks eines mit einem TBC-System gemäß einer anderen alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschichteten Superlegierungsgegenstandes ist.
  • Ausführungsform(en) zum Durchführen der vorliegenden Erfindung
  • In der 1 ist eine schematische Querschnittsansicht eines typischen Mantelstrom-Gasturbinentriebwerks 10 dargestellt, welche bei 12 allgemein die Bauteile der heißen Bereiche darstellt, welche für das Aufbringen eines TBC-Systems auf Edelmetallbasis gemäß der vorliegenden Erfindung geeignet sind. Wie dargestellt weist das Triebwerk 10 in serieller Strömungsbeziehung von dem Einlass zu dem Auslass einen Einlassrahmen 14, einen zweistufigen Niederdruckkompressor ("LPC") oder Gebläse 16, einen dreistufigen Hochdruckkompressor ("HPC") 18, eine Brennkammer 20, eine einstufige Hochdruckturbine ("HPT") 22, eine zweistufige Niederdruckturbine ("LPT") 24, einen Turbinenrahmen 26 sowie eine Abgasdüse 28 auf.
  • Komprimierte Luft, welche den HPC 18 verlässt, wird in der Brennkammer 20 mit Treibstoff vermischt und entzündet. Das Verbrennungsabgas mit hoher Temperatur und hoher Energie strömt sowohl durch die HPT 22 als auch durch die LPT 24, wo Energie entzogen wird, um den HPC 18 und das Gebläse 16 anzutreiben. Jede Turbinenstufe, beispielsweise die HPT 22, weist einen Satz von stationären Turbinenleitschaufeln 30 und rotierenden Turbinenlaufschaufeln 32 auf, welche in der Abgasströmung angeordnet sind, um die Strömungsrichtung und den Energieentzug zu optimieren. Nachdem das Abgas durch den Turbinenrahmen 26 geströmt ist, welcher die rotierenden Bauteile des Triebwerks 10 trägt, wird das Abgas mit der Gebläseströmung vermischt und strömt durch die Abgasdüse 28, wodurch eine Nettokraft oder ein Schub erzeugt wird, welcher das Triebwerk 10 vorwärts treibt.
  • Die dem korrosiven Verbrennungsabgas mit hoher Temperatur ausgesetzten Bauteile 12 der heißen Bereiche können mit den MAlY- oder Edelmetallhaftschicht-TBC-Systemen gemäß der Lehre der vorliegenden Erfindung beschichtet sein, um das Superlegierungssubstrat während des Triebwerkbetriebs vor übermäßiger Temperatur sowie vor Oxidation zu schützen.
  • In der 2A ist eine vergrößerte schematische Querschnittsansicht eines Teilstücks eines Superlegierungsgegenstandes 34, wie beispielsweise einer Profilwand einer Turbinenlaufschaufel 32, der mit dem MAlY-Haftschicht-TBC-System gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschichtet ist, dargestellt. Die schematische Darstellung sowie die relative Dicke jeder einzelnen Schicht des Mehrschicht-TBC-Systems, welches in den 2A und 2B dargestellt ist, sind lediglich für illustrative Zwecke gedacht und sollen in keiner Weise den Schutzbereich der vorliegenden Erfindung beschränken.
  • Der Gegensand 34 in der 2A weist ein Substrat 36 auf, von dem ein Teilbereich dargestellt ist. Das Substrat 36 ist vorzugsweise aus einer Superlegierung auf Basis von Eisen, Nickel oder Kobalt zusammengesetzt; es wird jedoch damit gerechnet, dass die MAlY-Haftschicht gemäß der vorliegenden Erfindung für die Verwendung mit jedem Substrat aus einer beliebigen Superlegierung oder mit allen anderen Metallsubstraten, mit denen diese eine adäquate Haftung erzielen kann, geeignet ist. Für die hiesigen Zwecke kann eine adäquate Haftung als eine Haftung charakterisiert werden, welche gleich oder besser als die zwischen anderen Schichten in dem TBC-System ist.
  • Auf dem Substrat 36 ist eine MAlY-Haftschicht 38 mit einer Zusammensetzung gemäß Patentanspruch 1 aus 10 bis 30 Gewichtsprozent Alumi nium, zwischen Spurenmengen und 3 Gewichtsprozent eines reaktiven Elements, wie beispielsweise Yttrium, Zirkonium, Hafnium, Scandium oder jedem der Lanthanide oder Mischungen hiervon, sowie dem Rest Nickel, Kobalt, Eisen oder Mischungen hiervon hergestellt. In einer bevorzugten Zusammensetzung enthält die Haftschicht 38 ungefähr 20 bis 22 Gewichtsprozent Aluminium, ungefähr 0,2 bis 0,4 Gewichtsprozent Yttrium und Rest Nickel. In beiden Fällen wird in der Haftschicht 38 absichtlich kein Chrom vorgesehen, obwohl darin möglicherweise eine unbeachtliche, versehentliche Spurenmenge vorliegen kann. Die Haftschicht 38 wird vorzugsweise mittels Niederdruck- oder Vakuumplasmasprühen unter Einsatz eines vorlegierten Pulvers anstatt mit herkömmlichen Diffusionsverfahren, wie beispielsweise Packzementation, hergestellt. Ein exemplarisches Plasmasprühverfahren ist beispielsweise in dem US Patent Nr. Re. 33,876 von Goward et al., dessen Offenbarung hiermit als Referenz eingeführt wird, offenbart. Durch die Verwendung eines Plasmasprühverfahrens kann die Zusammensetzung der Haftschicht 38 besser gesteuert werden und die Migration der Basislegierungselemente aus dem Substrat 36, welche andernfalls für die Haftung von Haftschicht/Aluminiumoxid nachteilhaft wäre, beträchtlich verringert werden. Eine relative dünne Diffusionszone 40 bildet sich inhärent zwischen der Haftschicht 38 und dem Substrat 36, welche die Haftung zwischen diesen unterstützt.
  • Aufgrund der hochreaktiven Natur der MAlY-Haftschicht 38 oxidiert Aluminium während der Herstellung des TBC-Systems in der Nähe der freiliegenden Außenoberfläche der Haftschicht 38 bei der Aussetzung gegenüber jeder beliebigen, Sauerstoff oder Feuchtigkeit enthaltenden Umgebung bei erhöhter Temperatur im Wesentlichen augenblicklich, was zu einer dünnen Schicht aus Aluminiumoxid oder Tonerde 42 führt. Solch eine oxidierte Schicht kann auch als ein Aluminiumoxidfilm oder eine Aluminiumoxidkruste bezeichnet werden. Zuletzt wird ein Keramiküber zug 44 auf dem Aluminiumoxidfilm 42 angeordnet, um die gewünschten Isolationseigenschaften des TBC-Systems zu erreichen. Wie dargestellt weist der bevorzugte Keramiküberzug 44 eine säulenartige Mikrostruktur auf, welche im Wesentlichen mit der in dem US Patent Nr. 4,321,311 von Strangman, dessen Offenbarung hiermit als Referenz eingeführt wird, offenbarten übereinstimmt. Der säulenartige Keramiküberzug 44 wird vorzugsweise durch Elektronenstrahl-PVD hergestellt, obwohl andere mit der Herstellung einer solchen säulenartigen Mikrostruktur konsistenten Techniken, wie gewünscht, eingesetzt werden können. Ein beispielhaftes PVD-Verfahren und eine beispielhafte PVD-Vorrichtung ist in dem US Patent Nr. 4,880,614 von Strangman et al., dessen Offenbarung hiermit als Referenz eingeführt wird, offenbart. Wie vorstehend erwähnt, kann ein mehrschichtiger säulenartiger Keramiküberzug mit wenigstens zwei Kornorientierungsrichtungen eingesetzt werden.
  • In der 2B ist eine vergrößerte schematische Querschnittsansicht eines Teilbereichs eines Superlegierungsgegenstandes 134 dargestellt, welcher mit einem TBC-System gemäß einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschichtet ist. Der Gegenstand 134 umfasst ein Substrat 136, welches vorzugsweise aus einer Superlegierung auf Eisen-, Nickel- oder Kobalt-Basis zusammengesetzt ist. Allerdings wird damit gerechnet, dass die MAlY-Haftschicht gemäß der vorliegenden Ausführungsform der vorliegenden Erfindung auch für die Verwendung mit jedem beliebigen Superlegierungssubstrat oder allen anderen Metallsubstraten, mit denen diese eine adäquate Haftung erzeugen kann, geeignet ist.
  • Auf dem Substrat 136 ist eine MAlY-Haftschicht 138 mit einer Zusammensetzung gemäß Patentanspruch 1 aus 10 bis 30 Gewichtsprozent Aluminium, zwischen Spurenmengen und 3 Gewichtsprozent eines reakti ven Elements, wie beispielsweise Yttrium, Zirkonium, Hafnium, Scandium oder jedem der Lanthanide oder Mischungen hiervon, sowie dem Rest Nickel, Chrom, Eisen oder Mischungen hiervon hergestellt. In einer bevorzugten Zusammensetzung enthält die Haftschicht 138 ungefähr 20 bis 22 Gewichtsprozent Aluminium, ungefähr 0,25 bis 0,4 Gewichtsprozent Yttrium und Rest Nickel. Hier wird wiederum Chrom absichtlich aus der Haftschicht 138 weggelassen. In dieser Ausführungsform wird die Haftschicht 138 hergestellt, indem zuerst Yttrium durch jedes beliebige herkömmliche Verfahren, wie beispielsweise Elektronenstrahl-PVD, auf das Substrat 136 aufgebracht wird. Daran anschließend kann die MAlY-Haftschicht 138 durch Gasphasenaluminisieren hergestellt werden. Gemäß diesem Verfahren wird das Superlegierungssubstrat 136 mit einem Aluminiumhalogenidgas bei erhöhter Temperatur für eine ausreichend lange Zeit reagiert, um die gewünschte Dicke der Haftschicht und die gewünschte Zusammensetzung im Einklang mit den vorgenannten Bestandteilsbereichen herzustellen. Klarerweise ist das Verfahren nicht auf Gasphasenaluminisieren beschränkt; vielmehr kann jede Quelle für Aluminium eingesetzt werden, um den Aluminisierungsschritt zu fördern.
  • Wie in der 2B schematisch dargestellt, enthält die MAlY-Haftschicht 138 sowohl die Aluminidbeschichtung als auch die darin eingebetteten Partikel 148 der intermetallischen Phase, welche reich an Yttrium sind. Wenn das darunter liegende Substrat 136 eine auf Nickel basierende Legierung ist, dann wird die gebildete Beschichtung klarerweise Nickelaluminid sein. Gleichermaßen wird die gebildete Beschichtung Kobaltaluminid sein, wenn das Substrat eine auf Kobalt basierende Legierung ist. Ferner würden die resultierenden Partikel 148 reich an dem aufgebrachten reaktiven Element sein, wenn, anstatt zuerst Yttrium auf das Substrat 136 aufzubringen, Zirkonium, Hafnium, Scandium oder jedes beliebige Lanthanid in einer ausreichend hohen Konzentration aufgebracht worden wäre.
  • Wie bei der Ausführungsform der 2A bildet sich zwischen der Haftschicht 138 und dem Substrat 136 inhärent eine relativ dünne Diffusionszone 140, welche die Haftung zwischen diesen fördert. Die Diffusionszone 140 kann das zuerst aufgebrachte, diffundierte reaktive Element enthalten.
  • Aufgrund der hochreaktiven Natur der MAlY-Haftschicht 138 oxidiert das Aluminium während der Herstellung des TBC-Systems in der 2B in der Nähe der freiliegenden Außenoberfläche der Haftschicht 138 bei der Aussetzung gegenüber jeder beliebigen, Sauerstoff oder Feuchtigkeit enthaltenden Umgebung bei erhöhter Temperatur im Wesentlichen augenblicklich, was zu einer dünnen Aluminiumoxidschicht 142 führt. Letztlich wird ein Keramiküberzug 144 auf dem Aluminiumfilm 142 angeordnet, um die gewünschten Isolationseigenschaften des TBC-Systems zu erreichen. Wie dargestellt, weist der durch Plasmasprühtechniken, obgleich zum Aufbringen andere herkömmliche Verfahren wie gewünscht eingesetzt werden können, hergestellte bevorzugte Keramiküberzug 144 eine nicht säulenartige, aber gegenüber Belastung tolerante Morphologie auf. Der plasmagesprühte Keramiküberzug 144 kann gleichmäßig dicht sein oder kann, wie allgemein bei 146 dargestellt, eine gesteuerte Porosität mit einer im Wesentlichen nicht porösen Außenoberfläche und einer sich erhöhenden Porosität in der Nähe der Aluminiumoxidschicht 142 aufweisen.
  • Die durchschnittliche Dicke der einzelnen Schichten des in den 2A und 2B dargestellten TBC-Mehrschichtsystems kann von den Fachleuten so ausgewählt werden, dass ein gewünschtes Isolationsergebnis er reicht wird. In einer typischen Anwendung in einem Gasturbinentriebwerk 10 oder in einer anderen rauen Umgebung kann die Dicke der Haftschicht 38, 138 zwischen 40 und 120 Mikrometer betragen, kann die Dicke des Aluminiumoxidfilms 42, 142 zwischen ungefähr 0,1 und 3 Mikrometer betragen und kann die Dicke des Keramiküberzugs 44, 144 zwischen ungefähr 80 und 350 Mikrometer betragen. Diese Bereiche sind beispielhaft. Werte außerhalb dieser Bereiche, alleine oder in Kombination, werden als in dem Schutzbereich der vorliegenden Erfindung liegend betrachtet. In einer bevorzugten Ausführungsform für ein Profil einer Gasturbinentriebwerkslaufschaufel 32 oder einer Gasturbinentriebwerksleitschaufel 30 kann die Dicke der Haftschicht 38, 138 zwischen ungefähr 50 und 80 bis 90 Mikrometer betragen, kann die Dicke des Aluminiumfilms 42, 142 zwischen ungefähr 0,5 und 1,5 Mikrometer betragen und kann die Dicke des Keramiküberzugs 44, 144 zwischen ungefähr 100 und 150 Mikrometer betragen.
  • In der 3A ist eine vergrößerte schematische Querschnittsansicht eines Teilbereichs eines Superlegierungsgegenstands 234, wie beispielsweise einer Profilwand einer Turbinenlaufschaufel 232, welche mit dem Edelmetallhaftschicht-TBC-System gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschichtet ist, dargestellt. Die schematische Darstellung und die relative Dicke jeder Schicht der mehrschichtigen, in den 3A und 3B dargestellten TBC-Systeme sind lediglich für illustrative Zwecke gedacht und sollen in keiner Weise den Schutzbereich der vorliegenden Erfindung beschränken.
  • Der Gegenstand 234 in der 3A umfasst ein Substrat 236, von dem ein Teilbereich dargestellt ist. Das Substrat 236 ist vorzugsweise aus einer Superlegierung auf Eisen-, Nickel- oder Kobalt-Basis zusammengesetzt; allerdings wird damit gerechnet, dass die Edelmetallhaftschicht gemäß der vorliegenden Erfindung für die Verwendung mit jedem beliebigen Superlegierungssubstrat oder beliebigen anderen Metallsubstraten, mit denen diese eine adäquate Haftung ausbilden kann, geeignet ist.
  • Auf dem Substrat 236 ist eine Edelmetallhaftschicht 238 mit einer Zusammensetzung aus ungefähr 10 bis 30 Gewichtsprozent Aluminium, ungefähr 2 bis 60 Gewichtsprozent Edelmetall, zwischen Spurenmengen und ungefähr 3 Gewichtsprozent eines reaktiven Elements, wie beispielsweise Yttrium, Zirkonium, Hafnium, Scandium oder jedem beliebigen Lanthanid oder von Mischungen hiervon, und dem Rest Nickel, Kobalt, Eisen oder Mischungen hiervon hergestellt. In einer bevorzugten Zusammensetzung enthält die Haftschicht 238 ungefähr 20 bis 25 Gewichtsprozent Aluminium, ungefähr 30 bis 40 Gewichtsprozent Platin, ungefähr 0,2 bis 0,4 Gewichtsprozent Yttrium, ungefähr 0,03 bis 0,06 Gewichtsprozent Zirkonium und Rest Nickel, Kobalt, Eisen und Mischungen hiervon. In beiden Fällen wird Chrom absichtlich aus der Haftschicht 238 weggelassen, obwohl möglicherweise eine unbeachtliche, versehentliche Spurenmenge darin vorliegen kann. Die Haftschicht 238 wird anstatt mit herkömmlichen Diffusionsverfahren, wie beispielsweise Packzementation, vorzugsweise durch ein Niederdruck- oder Vakuumplasmasprühen unter Einsatz eines vorlegierten, Aluminium enthaltenden Pulvers, eines Edelmetalls oder einer Mischung von Edelmetallen sowie eines reaktiven Elements oder einer Mischung von reaktiven Elementen hergestellt. Durch Einsatz eines Plasmasprühverfahrens kann die Zusammensetzung der Haftschicht 238 besser gesteuert werden und die Migration der Basislegierungselemente aus dem Substrat 236, welche andernfalls für die Haftung von Haftschicht/Aluminiumoxid nachteilig wäre, beträchtlich verringert werden. Eine relativ dünne Diffusionszone 240 bildet sich inhärent zwischen der Haftschicht 238 und dem Substrat 236, welche die Haftung zwischen diesen fördert.
  • Aufgrund der hochreaktiven Natur der Edelmetallhaftschicht 238 oxidiert Aluminium während der Herstellung des TBC-Systems in der Nähe der freiliegenden Außenoberfläche der Haftschicht 238 bei der Aussetzung gegenüber jeder, Sauerstoff oder Feuchtigkeit enthaltenden Umgebung bei erhöhter Temperatur im Wesentlichen augenblicklich, was zu einer relativ dünnen Schicht aus Aluminiumoxid oder Tonerde 242 führt. Zuletzt wird ein Keramiküberzug 244 auf dem Aluminiumoxidfilm 242 aufgebracht, um die gewünschten Isolationseigenschaften des TBC-Systems zu erreichen. Wie dargestellt weist der bevorzugte Keramiküberzug 244 eine säulenartige Mikrostruktur auf, welche durch Elektronenstrahl-PVD hergestellt werden kann, obwohl andere mit der Herstellung einer solchen säulenartigen Mikrostruktur konsistenten Techniken, wie gewünscht, eingesetzt werden können. Alternativ dazu kann ein mehrschichtiger säulenartiger Keramiküberzug mit wenigstens zwei Kornorientierungsrichtungen eingesetzt werden.
  • In der 3B ist eine vergrößerte schematische Querschnittsansicht eines Teilbereichs eines Superlegierungsgegenstandes 334, welcher mit einem TBC-System gemäß einer anderen alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschichtet ist, dargestellt. Der Gegenstand 334 umfasst ein Substrat 336, welches vorzugsweise aus einer Superlegierung auf Eisen-, Nickel- oder Kobalt-Basis zusammengesetzt ist. Allerdings wird damit gerechnet, dass die Edelmetallhaftschicht gemäß der vorliegenden Ausführungsform der vorliegenden Erfindung auch für die Verwendung mit jedem beliebigen Superlegierungssubstrat oder allen anderen Metallsubstraten, mit denen diese eine adäquate Haftung ausbilden kann, geeignet ist.
  • Auf dem Substrat 336 ist eine Edelmetallhaftschicht 338 mit einer Zusammensetzung aus 10 bis 30 Gewichtsprozent Aluminium, 2 bis 60 Gewichtsprozent Edelmetall, zwischen Spurenmengen und 3 Gewichtsprozent eines reaktiven Elements, wie beispielsweise Yttrium, Zirkonium, Hafnium, Scandium oder jedem beliebigen Lanthanid oder Mischungen hiervon, und Rest Nickel, Kobalt, Eisen oder Mischungen hiervon hergestellt. In einer bevorzugten Zusammensetzung enthält die Haftschicht 338 zwischen ungefähr 20 und 25 Gewichtsprozent Aluminium, ungefähr 30 bis 40 Gewichtsprozent Platin, ungefähr 0,2 bis 0,4 Gewichtsprozent Yttrium und ungefähr 0,03 bis 0,06 Gewichtsprozent Zirkonium und Rest Nickel, Kobalt, Eisen und Mischungen hiervon. Hier wird wiederum Chrom absichtlich aus der Haftschicht 338 weggelassen. Bei dieser Ausführungsform wird die Haftschicht 338 hergestellt, indem zunächst durch jedes herkömmliche Verfahren, wie beispielsweise Elektronenstrahl- oder andere PVD-Techniken oder chemische Dampfabscheidung ("CVD"), ein reaktives Element oder mehrere reaktive Elemente auf das Substrat 336 aufgebracht werden. Daran anschließend kann die Edelmetallhaftschicht 338 durch Gasphasenaluminisieren hergestellt werden. Gemäß diesem Verfahren wird das Superlegierungssubstrat 336 mit einem Aluminiumhalogenidgas bei erhöhter Temperatur für eine ausreichend lange Zeit reagiert, um die gewünschte Haftschichtdicke und die Zusammensetzung im Einklang mit den vorgenannten Bestandteilbereichen herzustellen. Das Verfahren ist klarerweise nicht auf Gasphasenaluminisieren beschränkt; vielmehr kann jede Aluminiumquelle eingesetzt werden, um den Aluminisierungsschritt zu fördern. Beispielsweise schließen alternative Verfahren Packzementation, Ionendampfabscheidung entweder aus einer Packungsquelle oder jedem anderen Aluminium enthaltenden Gas, Elektroplattieren und elektrophoretische Techniken ein.
  • Wie schematisch in der 3B dargestellt, enthält die Edelmetallhaftschicht 338 sowohl die Aluminidbeschichtung als auch darin eingebettete Partikel 348 der intermetallischen Phase, welche reich an reaktivem Element sind. Wenn das darunter liegende Substrat 336 eine auf Nickel basierende Legierung ist, dann wird die gebildete Beschichtung klarerweise Nickelaluminid sein. Wenn das Substrat eine Legierung auf Kobaltbasis ist, wird gleichermaßen die gebildete Beschichtung Kobaltaluminid sein.
  • Wie bei der Ausführungsform der 3A bildet sich zwischen der Haftschicht 338 und dem Substrat 336 inhärent eine relativ dünne Diffusionszone 340, welche die Haftung zwischen diesen fördert. Die Diffusionszone 340 kann das diffundierte, zuerst aufgebrachte reaktive Element enthalten.
  • Aufgrund der hochreaktiven Natur der Edelmetallhaftschicht 338 oxidiert Aluminium während der Herstellung des TBC-Systems der 3B in der Nähe der freiliegenden Außenoberfläche der Haftschicht 338 bei der Aussetzung gegenüber einer, Sauerstoff oder Feuchtigkeit enthaltenden Umgebung bei erhöhter Temperatur im Wesentlichen augenblicklich, was zu einer dünnen Schicht aus Aluminiumoxid 342 führt. Zuletzt wird ein Keramiküberzug 344 auf den Aluminiumoxidfilm 342 aufgebracht, um die gewünschten Isolationseigenschaften des TBC-Systems zu erreichen. Wie dargestellt weist der bevorzugte Keramiküberzug 344, welcher durch Plasmasprühtechniken, obwohl andere herkömmliche Verfahren des Aufbringens, wie gewünscht, eingesetzt werden können, hergestellt worden ist, eine nicht säulenartige, aber belastungstolerante Morphologie auf. Der plasmagesprühte Keramiküberzug 344 kann gleichmäßig dick sein oder kann, wie bei 346 allgemein dargestellt, eine gesteuerte Porosität mit einer im Wesentlichen nicht porösen Außenoberfläche und einer sich erhöhenden Porosität in der Nähe der Aluminiumoxidschicht 342 aufweisen.
  • Die durchschnittliche Dicke der einzelnen Schichten der in den 3A und 3B dargestellten mehrschichtigen TBC-Systeme kann von dem Fachmann so ausgewählt werden, dass ein gewünschtes Isolationsergebnis erreicht wird. In einer typischen Anwendung in einem Gasturbinentriebwerk 10 oder in einer anderen rauen Umgebung kann die Dicke der Haftschicht 238, 338 zwischen ungefähr 20 und 120 Mikrometer betragen, kann die Dicke des Aluminiumoxidfilms 242, 342 zwischen ungefähr 0,1 und 3 Mikrometer betragen und kann die Dicke des Keramiküberzugs 244, 344 zwischen ungefähr 80 und 350 Mikrometer betragen. Diese Bereiche sind exemplarisch. Werte außerhalb dieser Bereiche, alleine oder in Kombination, werden als in dem Schutzbereich der vorliegenden Erfindung liegend betrachtet. In einer bevorzugten Ausführungsform für ein Profil einer Gasturbinentriebwerkslaufschaufel 32 oder einer Gasturbinentriebwerksleitschaufel 30 kann die Dicke der Haftschicht 238, 338 zwischen ungefähr 20 und 70 Mikrometer betragen, kann die Dicke des Aluminiumfilms 242, 342 zwischen ungefähr 0,5 und 1,5 Mikrometer betragen und kann die Dicke des Keramiküberzugs 244, 344 zwischen ungefähr 100 und 150 Mikrometer betragen.
  • In einer Ausführungsform enthält die Edelmetallhaftschicht das Äquivalent einer Edelmetallschicht mit einer Dicke von ungefähr 2 bis 5 Mikrometer, eine Schicht aus reaktivem Element mit einer Dicke von bis zu ungefähr 3 Mikrometer und eine Aluminiumschicht mit einer Dicke von ungefähr 30 bis 60 Mikrometer mit dem Rest Nickel, Kobalt, Eisen oder Mischungen hiervon. Die Edelmetallschicht kann durch PVD oder Elektroplattieren abgeschieden werden, die Schicht aus reaktivem Element kann durch PVD oder CVD abgeschieden werden und die Aluminium schicht kann durch Packzementation, Gasphasen-CVD, Ionendampfabscheidung, Elektroplattieren oder elektrophoretische Techniken abgeschieden werden. Die Diffusion des Aluminiums kann entweder während oder nach dem Beschichtungsverfahren erfolgen.
  • Wie vorstehend erwähnt kann die Edelmetallhaftschicht durch eine Kombination von Verfahren unter Einsatz eines Mehrschrittansatzes, wie beispielsweise Abscheiden eines Edelmetalls oder einer Mischung von Edelmetallen gefolgt von dem Abscheiden einer Aluminidverbindung aus Aluminium mit einem reaktiven Element oder einer Mischung von reaktiven Elementen, durch Packzementation, Gasphasen-CVD, Ionendampfabscheidung, Elektroplattieren oder elektrophoretische Techniken aufgebracht werden.
  • Gemäß einer Ausführungsform kann die Edelmetallhaftschicht aufgebracht werden, indem eine Schicht eines reaktiven Elements oder einer Mischung von reaktiven Elementen durch PVD abgeschieden wird und nach der Abscheidung diese Schicht in das Substrat diffundiert. Daran anschließend wird eine Schicht aus einem Edelmetall oder aus einer Mischung von Edelmetallen durch Elektroplattieren abgeschieden und diese Schicht wird, sofern das Verfahren dies so erfordert, nach der Abscheidung in das Substrat diffundiert. Zuletzt kann die Haftschicht, wie zuvor erörtert, unter Einsatz einer Gasphasenabscheidungstechnik aluminisiert werden.
  • Schließlich kann der Keramiküberzug, welcher auf der Edelmetallhaftschicht abgeschieden wird, eine teilweise (beispielsweise mit 6 bis 8 Gewichtsprozent) Yttriumoxid stabilisierte Zirkoniumoxiddeckbeschichtung mit einer säulenartigen Struktur sein. Die Aluminiumoxidschicht mit einer Dicke von ungefähr 0,1 bis 0,4 Mikrometer kann auf der Haftschicht entweder vor, während oder nach der Abscheidung des Keramiküberzugs wachsen, obwohl das Wachstum der Aluminiumschicht während der Keramikabscheidung ein bevorzugtes Verfahren sein kann.
  • Während hier beschrieben worden ist, was als beispielhafte und bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung betrachtet werden soll, werden andere Modifikationen der vorliegenden Erfindung den Fachleuten durch die hier offenbarte Lehre offensichtlich. Beispielsweise könnten die säulenartigen Keramiküberzüge der 2A und 3A über den Haftschichten 138, 338, welche in den 2B und 3B dargestellt sind, aufgebracht werden. Gleichermaßen könnten die plasmagesprühten Keramiküberzüge der 2B und 3B über den in den 2A und 3A dargestellten Haftschichten 38, 238 aufgebracht werden. Des Weiteren könnte jedes beliebige PVD-Verfahren eingesetzt werden, um die MAlY- und Edelmetallhaftschichten zu erzeugen. Es ist deshalb erwünscht, dass in den nachfolgenden Patentansprüchen alle diejenigen Modifikationen abgesichert sind, die unter den wahren Geist und den Umfang der vorliegenden Erfindung fallen. Dementsprechend ist das, was durch das vorliegende Patent abgesichert werden soll, die Erfindung, wie diese in den nachfolgenden Patentansprüchen definiert und abgegrenzt wird.

Claims (15)

  1. Haftschicht für ein thermisches Barrierebeschichtungssystem auf einem Superlegierungssubstrat, wobei das thermische Barrierebeschichtungssystem einen Keramiküberzug umfasst, und wobei die Haftschicht enthält: 10 bis 30 Gewichtsprozent Aluminium, 2 bis 60 Gewichtsprozent Edelmetall, zwischen Spurenmengen und 3 Gewichtsprozent eines reaktiven Elements ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Scandium, Yttrium, Zirkonium, allen Lanthaniden, Hafnium und Mischungen hiervon sowie Rest ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Nickel, Kobalt, Eisen und Mischungen hiervon, wobei die Haftschicht des Weiteren durch die Abwesenheit von zugefügtem Chrom gekennzeichnet ist.
  2. Haftschicht nach Anspruch 1, enthaltend: 20 bis 25 Gewichtsprozent Aluminium, 30 bis 40 Gewichtsprozent Platin, 0,2 bis 0,4 Gewichtsprozent Yttrium, 0,03 bis 0,06 Gewichtsprozent Zirkonium sowie Rest ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Nickel, Kobalt, Eisen und Mischungen hiervon.
  3. Im Wesentlichen chromfreie Haftschicht nach Anspruch 1 bestehend im Wesentlichen aus: 10 bis 30 Gewichtsprozent Aluminium, 2 bis 60 Gewichtsprozent Edelmetall, zwischen Spurenmengen und 3 Gewichtsprozent eines reaktiven Elements ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Scandium, Yttrium, Zirkonium, allen Lanthaniden, Hafnium und Mischungen hiervon sowie Rest ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Nickel, Kobalt, Eisen und Mischungen hiervon.
  4. Haftschicht nach Anspruch 3 bestehend im Wesentlichen aus: 20 bis 25 Gewichtsprozent Aluminium, 30 bis 40 Gewichtsprozent Platin, 0,2 bis 0,4 Gewichtsprozent Yttrium, 0,03 bis 0,06 Gewichtsprozent Zirkonium und Rest ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Nickel, Kobalt, Eisen und Mischungen hiervon.
  5. Thermisches Barrierebeschichtungssystem enthaltend: eine Haftschicht nach einem der Ansprüche 1 bis 4, eine Aluminiumoxidschicht auf der Haftschicht sowie einen Keramiküberzug auf der Aluminiumoxidschicht.
  6. Beschichteter Gegenstand umfassend: ein Superlegierungssubstrat sowie ein thermisches Barrierebeschichtungssystem auf dem Substrat, wobei das thermische Barrierebeschichtungssystem wie in Patentanspruch 5 beansprucht ist.
  7. Beschichteter Gegenstand nach Anspruch 6, wobei das Superlegierungssubstrat eine Superlegierung enthält, welche aus der Gruppe von Superlegierung auf Nickelbasis, Superlegierung auf Kobaltbasis und Superlegierung auf Eisenbasis ausgewählt ist.
  8. Beschichteter Gegenstand nach Anspruch 6 oder Anspruch 7, wobei der beschichtete Gegenstand ein Triebwerksteil umfasst, wobei wenigstens ein Teilstück des Triebwerksteils während des Betriebes desselben Verbrennungsabgas ausgesetzt ist.
  9. Beschichteter Gegenstand nach Anspruch 8, wobei das Triebwerksteil ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Brennkammern, Turbinenlaufschaufeln, Turbinenleitschaufeln, Turbinenrahmen und Abgasdüsen.
  10. Verfahren zum Herstellen eines thermischen Barrierebeschichtungssystems auf einem Superlegierungssubstrat, wobei das thermische Barrierebeschichtungssystem einen Keramiküberzug umfasst, wobei das Verfahren die nachfolgenden Schritte umfasst: 1) Bereitstellen eines Superlegierungssubstrats und 2) Herstellen einer Haftschicht auf dem Substrat durch: a) Abscheiden eines reaktiven Elements auf dem Substrat, wobei das reaktive Element ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Scandium, Yttrium, Zirkonium, allen Lanthaniden und Hafnium und Mischungen hiervon sowie b) anschließendes Reagieren des Substrats mit einer Aluminiumquelle, wobei die hergestellte Haftschicht enthält: 10 bis 30 Gewichtsprozent Aluminium, zwischen Spurenmengen und 3 Gewichtsprozent des reaktiven Elements sowie Rest ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Nickel, Kobalt, Eisen und Mischungen hiervon, wobei die hergestellte Haftschicht des Weiteren durch die Abwesenheit von zugefügtem Chrom gekennzeichnet ist, und wobei der Schritt zur Herstellung der Haftschicht des Weiteren einen Unterschritt des Abscheidens eines Edelmetalls auf dem Substrat umfasst, so dass die Haftschicht 2 bis 60 Gewichtsprozent Edelmetall enthält.
  11. Erfindung nach Anspruch 10, des Weiteren umfassend den Schritt des Ausbildens eines Aluminiumoxidfilms auf der Haftschicht.
  12. Erfindung nach Anspruch 11, des Weiteren umfassend den Schritt des Herstellens eines Keramiküberzugs auf dem Aluminiumoxidfilm.
  13. Verfahren zum Herstellen eines thermischen Barrierebeschichtungssystems auf einem Superlegierungssubstrat, wobei das thermische Barrierebeschichtungssystem einen Keramiküberzug umfasst, und wobei das Verfahren die nachfolgenden Schritte umfasst: 1) Bereitstellen eines Superlegierungssubstrats und 2) Herstellen einer Haftschicht auf dem Substrat durch Plasmasprühen eines vorlegierten Pulvers, wobei die Haftschicht enthält: ungefähr 10 bis ungefähr 30 Gewichtsprozent Aluminium, ungefähr 2 bis ungefähr 60 Gewichtsprozent Edelmetall, zwischen Spurenmengen und ungefähr 3 Gewichtsprozent eines reaktiven Elements ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Scandium, Yttrium, Zirkonium, allen Lanthaniden und Hafnium und Mischungen hiervon sowie Rest ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Nickel, Kobalt, Eisen und Mischungen hiervon, wobei das vorlegierte Pulver des Weiteren durch die Abwesenheit von zugefügtem Chrom gekennzeichnet ist.
  14. Erfindung nach Anspruch 13, des Weiteren umfassend den Schritt des Bildens eines Aluminiumoxidfilms auf der Haftschicht.
  15. Erfindung nach Anspruch 14, des Weiteren umfassend den Schritt des Herstellens eines Keramiküberzugs auf dem Aluminiumoxidfilm.
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Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6682827B2 (en) * 2001-12-20 2004-01-27 General Electric Company Nickel aluminide coating and coating systems formed therewith
US7214409B1 (en) * 2005-12-21 2007-05-08 United Technologies Corporation High strength Ni-Pt-Al-Hf bondcoat
US10443447B2 (en) 2016-03-14 2019-10-15 General Electric Company Doubler attachment system

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1979000343A1 (en) * 1977-12-05 1979-06-14 Secr Defence Improvements in or relating to nickel-,cobalt-,and iron based alloys
US5238752A (en) * 1990-05-07 1993-08-24 General Electric Company Thermal barrier coating system with intermetallic overlay bond coat
GB9426257D0 (en) * 1994-12-24 1995-03-01 Rolls Royce Plc Thermal barrier coating for a superalloy article and method of application
US5716720A (en) * 1995-03-21 1998-02-10 Howmet Corporation Thermal barrier coating system with intermediate phase bondcoat
US5824423A (en) * 1996-02-07 1998-10-20 N.V. Interturbine Thermal barrier coating system and methods

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