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Korrespondierende Anmeldungen
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Die
vorliegende Patentanmeldung korrespondiert zu der
WO-A-97/29219 .
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Technisches Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung betrifft Schutzbeschichtungen für metallische
Gegenstände
und insbesondere eine verbesserte Haftschicht eines keramischen
thermischen Barrierebeschichtungssystems für Superlegierungssubstrate.
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Hintergrund
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Zusammenfassung der Erfindung
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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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:
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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.
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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.
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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.