NL8204759A

NL8204759A - Voorgespannen keramische bekledingen.

Info

Publication number: NL8204759A
Application number: NL8204759A
Authority: NL
Original assignee: United Technologies Corp
Priority date: 1981-12-14
Filing date: 1982-12-08
Publication date: 1983-07-01
Also published as: SG83885G; IT1191127B; FR2518123B1; SE8207073D0; GB2112667A; NL190869C; US4481237A; IT8224729A0; JPS58117876A; FR2518123A1; MX159813A; IT8224729A1; DE3246303C2; GB2112667B; BE895243A; JPS641552B2; SE459976B; IL67459A0; NL190869B; CA1214080A

Description

t * 4 - 1 -

Voorgespannen keramische bekledingen.

De onderhavige uitvinding heeft betrekking op een werkwijze voor het aanbrengen van een keramische bekleding op een metallisch substraat en op keramische warmte-afsluitingsbekledingen, en in het bijzonder op bekledingen 5 die zijn gegradeerd van metallische tot keramische samenstelling, verkregen bij uitvoering van de werkwijze.

De gedachten werden ontwikkeld in de gasturbine-machine-industrie ten gebruikte bij de fabrikage van uitwendige luchtdichte turbine-afsluitingen, maar hebben 10 ruimere toepasbaarheid zowel binnen die industrie alsook bij andere.

In moderne gasturbines worden werkende medium-gassen met temperaturen boven 2000°F (1093°C) langs rijen van turbineschoepen geëxpandeerd over de rijen van 15 turbineschoepen ter onttrekking van vermogen aan het stromende medium. Een schoepversterking, genaamd een uitwendige luchtdichte afsluiting, omschrijft elke rij turbineschoepen ter belemmering van het weglekken van werkende mediumgassen over de schoeptoppen.

20 De gegradeerde keramische bekledingen en de in deze beschrijving beschreven werkwijzen voor aanbrenging werden ontwikkeld voor speciaal gebruik in verband met uitwendige luchtdichte turbine-afsluitingen. Duurzame strukturen die in staat zijn tot betrouwbare 25 dienst op lange termijn in de vijandige turbine-omgeving werden gezocht. Wat speciaal nodig is zijn geschiktheid voor hoge temperatuur en goede weerstand tegen thermische schok. Bovendien moet het afsluitingsmateriaal geschikte oppervlakte-afschuurbaarheid ihebben ter voorkoming van 30 afbrekende storing bij het voorkomen van wrijvingscontact van de luchtdichte afsluiting door omgrensde rotorschoepen.

De Amerikaanse octrooischriften 3.091.548 "High Temperature Coatings"; 3.817.719 "High Temperature Abradable Material and Method of Preparing Same"; 35 3.879.831 met als titel "Nickel Base High Temperature

Abradable Material"; 3.911.891 met als titel "Coating for Metal Surfaces and Method for Application"; 3.918.925 8204759 * fc - 2 - getiteld "Abradable Seal"? 3.975.165 getiteld "Graded Metal-to-Ceramic Structure for High Temperature Abradable Seal Applications and a Method of Producing Said"; en 4.109.031 met als titel "Stress Relief of Metal-Ceramic 5 Gas Turbine Seals" zijn representatief voor de bekende denkbeelden die toepasbaar zijn bij luchtdichte afsluitingen met keramische voorzijde.

Zoals besproken is in enkele van de bovengenoemde literstuurplaatsen en in het bijzonder meer in detail 10 in het Amerikaanse octrooischrift 4.163.071 getiteld "Method for Forming Hard Wear-Resistant Coating", kan de temperatuur van het metallisch substraat waarop de keramische bekleding wordt aangebracht, vooraf worden verhit ter regeling van ofwel elke overblijvende spanning, 15 of bekledingsdichtheid. In het algemeen heeft een derge-lijke verhitting plaatsgehad tot een gelijkmatige tempe-tuur.

Hoewel van veel van de in de bovengenoemde octrooi-schriften beschreven materialen en werkwijzen bekend is 20 dat zij in hoge mate wenselijk zijn, moeten de daaruit voortkomende strukturen nog hun volledige potentieel bereiken, in het bijzonder in vijandige omgevingstoepassing. Onderzoek van betekenis naar nog betere materialen en werkwijzen wordt voortgezet.

25 Volgens de uitvinding worden gegradeerde lagen van metaal/keramisch materiaal met toenemende keramische samenstelling achtereenvolgens aangebracht op een metaal-substraat onder omstandigheden van gevarieerde substraat-temperaturen, daaronder begrepen de afzetting van êén 30 of meer lagen bij een begintemperatuur die hoger is dan of gelijk is aan de eindtemperatuur waarbij de eerste laag werd afgezet, en een eindtemperatuur die lager is dan of gelijk is aan de temperatuur waarbij de opvolgende laag moet worden afgezet.

35 Volgens êén werkwijze in detail worden de gegra deerde lagen continu aangebracht waarbij variaties worden gemaakt in de metaal/keramische samenstelling zonder dat de bekledingswerkwijze wordt onderbroken en variaties in substraattemperatuur worden gemaakt in 40 overgangszones tijdens de bekledingswerkwijze.

8204 75 9 - 3 - \ '.

* »

Een primair kenmerk van de onderhavige uitvinding is de beheersing van de thermische rekongelijkheid. Substraattemperatuurbeheersing tijdens de bekledings-werkwijze doet een temperatuurkarakteristiek in het 5 beklede deel ontstaan waarbij materiaal in dat deel in wezen spanningsvrij is. Modulering van de substraat-temperatuur, niet alleen bij elke achtereenvolgende laag, maar ook tijdens de afzetting van de laag van gelijkmatige samenstelling zelf, belichaamt een voorkeur-10 verdeling van overblijvende rek door de lagen heen.

Een belangrijk voordeel van de onderhavige uitvinding is, dat veilige spanning/sterkteverhoudingen in de bekleding worden bereikt. Veilige verhoudingen worden in stand gehouden door het traject van tempera-15 turen en temperatuurgradiënten heen waaraan het gedeelte tijdens zijn bewerkingscyclus wordt blootgesteld. Falen van de bekleding wordt voorkomen, zelfs onder temperatuur-omstandigheden die zoveel kunnen uiteenlopen, dat zij 2000°F (1093°C)> bedragen. wanneer het gedeelte in het 20 begin wordt verhit in een werkomgeving worden de achterblijvende samenpersende drukken in het keramisch materiaal ontspannen. Verdere verhitting doet thermische trekspanningen in keramisch materiaal ontstaan, maar niet tot zodanige waarden, dat daardoor gebreken ont-25 staan.

Het voorafgaande, kenmerken en voordelen van de onderhavige uitvinding zullen duidelijker worden in het licht van de volgende beschrijving van de beste uitvoeringsvorm van de uitvinding en de bijgaande 30 tekeningen.

Figg 1 is een vereenvoudigde toelichting van de werkwijze van bekleding van een luchtdichte afsluiting met keramische voorzijde van een gasturbinemachine;

Fig. 2 is een grafiek die de temperatuurregeling 35 van het metaalsubstraat toelicht waarop een gegradeerde keramische bekleding is aangebracht onder toepassing van de werkwijze volgens de uitvinding;

Fig. 3 is een grafiek die de overblijvende rek bij kamertemperatuur weergeeft, uitgezet als een 40 funktie van bekledingsdikte in een bekleding aangebracht 8204759 - 4 - onder toepassing van de werkwijze volgens de uitvinding;

Fig. 4 is een grafiek die weergeeft de spannings-vrije temperatuurkarakteristiek van keramische bekleding die is aangebracht onder toepassing van de werkwijze 5 volgens de uitvinding; en

Fig. 5 is een grafiek die de spanning/sterkte-verhouding van een keramische bekleding weergeeft die is aangebracht op een uitwendige luchtdichte turbine-afsluiting onder toepassing van de werkwijze volgens 10 de uitvinding onder machineversnelling (accel) tot zee-niveau-opstijgingsomstandigheid, zeeniveau-opstij g-omstandigheid, en vertraging (decel) tot onbezette (idle) omstandigheid.

De werkwijze volgens de uitvinding voor het 15 aanbrengen van een gegradeerde keramische bekleding op een metaalsubstraat en de ontstane struktuur worden toegelicht met betrekking tot een uitwendige luchtdichte afsluiting 10 van het type dat wordt gebruikt bij een gasturbinemachine. Het metaalsubstraat 12 wordt typerend 20 vervaardigd uit een legering op basis van nikkel, zoals de legering die bekend is in de gasturbine-industrie als INCONEL 713, en heeft een bandbekleding 14 van daaraan gehecht metallisch materiaal. Een typerend bandbekledingsmateriaal is de nikkel-chroom-aluminium-25 legering, die in de gasturbine-industrie bekend is als METCO 443.

Aan de bandbekleding 14 zijn één of meer tussenlagen van gegradeerd metaal/keramisch materiaal van toenemend keramische samenstelling gehecht. In een 30 uitvoeringsvorm van twee tussenlagen kan een eerste tussenlaag 16 bijvoorbeeld zijn een mengsel van zirkoon-oxyde (Zr02) voor 40 gew. % en CoCrAlY materiaal voor 60 gew. %. Het CoCrAlY materiaal van één doeltreffende uitvoeringsvorm heeft de nominale samenstelling: 35 chroom 23,0 %; aluminium 13,0 %; yttrium 0,65 %; en de rest in wezen kobalt. De tweede tussenlaag 18 kan bijv. een mengsel zijn van zirkoonoxyde (ZrC^) voor 85 gew. % en CoCrAlY materiaal voor 15 gew. %, waarbij het CoCrAlY materiaal met dezelfde samenstelling 40 wordt gebruikt in de eerste laag. In dergelijke uit- 8204 759 4 9 - 5 - voeringsvoraten heeft elke opvolgende metaal/keramieklaag een hoger percentage keramisch materiaal dan de voorafgaande laag en een kleiner percentage keramisch materiaal dan de onmiddellijk daarna aangebrachte laag.

5 100 % keramisch materiaal, zirkoonoxyde (ZrOj), wordt aangebracht over de laatste metaal/keramische tussenlaag. In een voorkeursvorm worden twee lagen van afzetting gebruikt: een eerstea laag 20 van dicht keramiek en een tweede laag 22 van poreus keramiek, in 10 de praktijk is de poreuze laag van afnemende dichtheid en wordt aangebracht als een mengsel van zirkoonoxyde (Zr02>-poeders met 2½ tot 10 gew. % polyester. De polyester wordt onmiddellijk na afzetting verwijderd zodat een poreuze keramische voorzijde overblijft. Verhitting 15 van de uitwendige luchtdichte afsluiting bij fabrikage of in situ tijdens werking wordt toegepast teneinde het polyestermateriaal van het keramiek weg te bakken. Percentages polyester buiten bovengenoemd traject kunnen worden toegepast ter verkrijging van overeenkomstig 20 gevarieerde porositeit.

De opzet van het keramisch voorzijdemateriaal in een uitwendige luchtafsluitingsstruktuur is tweeledig: teneinde een thermische barrière te verschaffen, waarbij het substraat wordt afgeschermd van de hete werkende 25 mediumgassen van de turbine waaraan het substraat anders zou worden blootgesteld, en het verschaffen van een afslijtbare luchtdichte afsluiting zodat thermische afwijkingen van de omgrensde rotorbladen zonder dat afbraakverschijnselen zich voordoen, worden aangepast.

30 Tijdens de bekledingswerkwijze wordt de temperatuur van het substraat geregeld op een vooraf bepaalde graad ter instelling van achterblijvende spanning en rekpatronen in de gefabriceerde luchtdichte afsluiting. Substraatverhitters 24 zijn hiertoe aangebracht. De 35 bekledingen zelf worden aangebracht door plasmasproei-methoden, die conventioneel in de industrie zijn. Een plasmasproeipistool 26 waarin de poeders, of het mengsel van poeders worden ingespoten, doet men in een herhalingspatroon over het substraat heen en weer gaan terwijl 40 de bekleding tot de gewenste dikte wordt opgebouwd.

8204 759 - 6 - „ «

Een plasmastroom 28 brengt de bekledingspoeders 30 naar het oppervlak van het te bekleden voorwerp. Bekledings-mengsels worden bij voorkeur gewisseld in continue bewerking. Veranderingen in substraattemperatuur worden zo snel 5 mogelijk in overgangszones gemaakt, onmiddellijk voorafgaand aan, tijdens of onmiddellijk na elke verandering van poedersamenstelling.

De substraattemperatuurcyclus ter bekleding van de bovenbeschreven component wordt weergegeven door 10 de grafiek van fig. 2. De bekledingslagen met begin- en eindsubstraattemperaturen bij afzetting zijn als volgt:

Dikte Begin- Eind-

Bekledingslaag inch mm. tamp. temp.

Metallische bandbékleding ** 0,003 (0,067) 1000°F (538°C) 1500°F (816°C) 15 Eerste tussenlaag - 0,030 (0,675) 1500°F (816°C) 1075°F (580°C) Tüeeds tussenlaag * 0,030 (0,675) 1225°F (663°C) 1125°F (607°C)

Dicht keramiek - 0,030 (0,675) 1215°F (657°C) 1010°F (543°C)

Poreus keramiek ^ 0,035 (0,7875)1010°F (543°C) 900°F (482°C)

Zoals zichtbaar is zowel in de bovenstaande tabel 20 als in de grafiek van fig. 2 wordt elke tussenlaag van metaal/keramieksamenstelling aangebracht onder uiteenlopende omstandigheden van substraattemperatuur, bij een begintemperatuur die hoger is dan de temperatuur bij eindafzet- ting van de eerste laag en een eindtemperatuur die lager 25 is dan of gelijk is aan de temperatuur waarbij de opvolgende laag in het begin moet worden afgezet. De substraattemperatuur bij eindafzetting van elke tussenlaag is ook lager dan de substraattemperatuur bij beginafzetting van die tussenlaag. Stapsgewijze veranderingen in temperatuur bij 30 het grensvlak tussen verschillende samenstellingen zijn waarschijnlijk gewenst. Praktische overwegingen in een continue bekledingswerkwijze doen echter het idee aan de hand van een overgangszone zoals voorkomt in de nabijheid van de samenstellingverandering.

35 De inherent verschillende coëfficiënt van thermische.expansie tussen al het keramisch materiaal en al de metaalsubstraten worden aangepast door de 8204 759 * . » - 7 - bekledingen te graderen en door samendrukkende rek tijdens laagafzetting te induceren. De cumulatieve rekgrafiek die in fig. 3 is uitgezet, is karakteristiek voor delen, vervaardigd volgens de onderhavige werkwijze. De grafiek 5 vertoont een toenemende samendrukkende rek die gemeten is aan de achterzijde van het substraat terwijl toenemende veranderingen in bekledingsdikte worden uitgevoerd. De gelijkmatig toenemende rek wijst op het gebrek aan ernstige discontinuïteit bij enige bekledingsdikte. Rekomkeringen 10 zouden, als zij voorkwamen, verschijnen als pieken of dalen langs de curve.

Zoals in het voorafgaande is besproken, is de bekleding ontworpen om een spanningsvrije karakteristiek bij een vooraf gekozen temperatuur te hebben. De spannings-15 vrije temperatuur is gelegen tussen de koude toestand en de maximale temperatuur. Fig. 4 licht een in wezen spanningsvrije temperatuur bij een temperatuur van bij benadering 1200°F (649°C), toe. Spanningswaarden bij uiteenlopende bekledingsdikten in de verschillende samen-20 stellingsmaterialen zijn uitgezet. Naarmate de temperatuur van de struktuur wordt teruggebracht vanaf de spanningsvrije temperatuur heeft de metaalsubstraatzijde van de struktuur de neiging te gaan in de richting van trek-spanning en de keramische zijde heeft de neiging te 25 gaan in de richting van drukspanning. Naarmate de tempera·^ tuur van de struktuur toeneemt boven de spanningsvrije temperatuur, heèft de metaalsubstraatzijde de neiging te gaan in de richting van compressiespanning en de keramische zijde heeft de neiging te gaan in de richting 30 van trekspanning.

Fig. 5 is een grafiek die weergeeft spanning/-sterkteverhoudingen over de bekledingsdwarsdoorsnede als een funktie van machine-omstandigheid. Weergegeven omstandigheden zijn versnelling tot zeeniveau-opstijging 35 (A); stationaire-toestand zeeniveau-opstijging (B); en vertraging vanaf zeeniveau-opstijging tot onbezet (C).

Onder alle omstandigheden blijft de spanning/sterkte-verhouding in elke laag van materiaal goed beneden een verhouding van één (1,0), waarboven gebreken worden 40 verwacht. Overmatige spanning, geïnduceerd door rekver- 8204759 - 8 - schillen tussen lagen, is vermeden. Het effekt van substraattemperatuurregeling en de verschillende coëfficiënten van thermische expansie tussen materialen van de opeenvolgende lagen worden op elkaar afgesteld 5 ter verkrijging van dat resultaat.

Hoewel deze uitvinding is weergegeven en beschreven met betrekking tot gedetailleerde uitvoeringsvormen daarvan, dient het aan de deskundige duidelijk te zijn dat uiteenlopende veranderingen in vorm en detail 10 daarvan kunnen worden aangebracht zonder te geraken buiten het kader van de uitvinding.

- conclusies - 8204 75 9

Claims

1. Werkwijze voor het aanbrengen van een keramische bekleding op een metallisch substraat, waarbij tevens één of meer gegradeerde tussenlagen van metallisch/keramisch materiaal worden aangebracht tussen het metallisch substraat 5 en.de keramische bekleding, met het kenmerk, dat men de metallische substraattemperatuur tijdens de tussenlaag-en keramiek-afzettingsstappen zodanig regelt, dat de temperatuur van het substraat bij beginafzetting van het elke tussenlaag omvattend materiaal hoger is dan 10 of gelijk is aan de temperatuur van het substraat bij eindafzetting van het de eerste laag omvattend materiaal, en zodanig, dat de temperatuur van het substraat bij eindaf zetting van het de tussenlaag omvattend materiaal lager is dan de temperatuur bij beginafzetting van die tussenlaag 15 en lager dan of gelijk aan de substraattemperatuur waarbij de opvolgende laag dient te worden aangebracht.

2. Werkwijze volgens conclusie 1, m e t het kenmerk, dat men tevens keramisch materiaal aanbrengt over de afgezette tussenlaag bij een substraattemperatuur 20 die hoger is dan of gelijk is aan de temperatuur waarbij de eindafzetting van tussenlaagmateriaal optrad.

3. Werkwijze volgens conclusie 2, m e t h e t k e n m e r k, dat de keramische laag wordt aangebracht in een aantal afzettingen, die vervaardigd worden bij 25 afnemende metallische substraattemperatuur.

4. Werkwijze volgens conclusie 1, 2 of 3, m e t het kenmerk, dat hij de stap omvat, dat men een metallische bandbekleding afzet op het metaalsubstraat voordat men de stap uitvoert dat men de beginafzetting 30 van gegradeerd metallisch/keramisch materiaal dat de tussenlaag omvat, aanbrengt.

5. Werkwijze volgens één of meer van de conclusies 1-4,met het kenmer k,dat de keramische laag wordt aangebracht bij een eerste dichtheid en 8204759 - 10 - vervolgens bij een tweede dichtheid die kleiner is dan de eerste dichtheid.

6. Werkwijze volgens één of meer van de conclusies 1 - 5, m e t het kenmerk, dat het materiaal, 5 dat de metallisch/keramische tussenlagen en de keramische lagen omvat, wordt aangebracht in een continue bekledings-werkwijze en waarbij de substraattemperatuur bij materiaal-samenstellingsveranderingen wordt gevarieerd tijdens de continue werkwijze bij overgangszones van korte duur.

7. Met keramiek bekleed voorwerp, omvattende: een metaalsubstraat; een metallische bandbekleding gehecht aan het beginsubstraat; ten minste één tussenlaag van metallisch/keramische samenstelling gehecht aan de bandbekleding; en een keramische laag gehecht aan de laatste 15 van de tussenlagen, gekenmerkt doordat het met keramiek beklede voorwerp een rekkarakteristiek heeft, die nagenoeg vrij is van rekomkeringen over de dikte van de bekleding.

8. Uitwendige luchtdichte afsluiting van een 20 gasturbinemachine, omvattende: een metaalsubstraat; een metallische bandbekleding aangehecht aan het metaalsubstraat; ten minste één tussenlaag van metallisch/-keramische samenstelling gehecht aan de bandbekleding; een eerste keramische laag gehecht aan de laatste van de 25 metallisch/keramische tussenlagen; en een tweede keramische laag gehecht aan de eerste keramische laag en van een dichtheid die kleiner is dan de dichtheid van de eerste laag, gekenmerkt doordat het met keramisch beklede voorwerp een rekkarakteristiek heeft, die vrijwel 30 is zoals weergegeven in de grafiek van fig. 3, en vrij van rekomkeringen over de dikte van de bekleding.

9. Met keramiek bekleed voorwerp, vervaardigd onder toepassing van de werkwijze volgens conclusie 1, 2 of 3. 8204 759