SE445452B - Sett att tillverka en struktur med keramisk ytbeleggning samt enligt settet framstelld struktur - Google Patents

Description

- 8Û03ê54-3 2 _ de konstruktioner av slipbart material, som har tillräcklig livslängd i påfrestande miljöer. Speciellt inom turbinsektionerna hos motorer, där tätningsmaterial utisättsiförrlokala temperaturer som kan överstiga l37l°C, är urvalet av material och konstruktioner med adekvat livslängd begränsat. Keramiskt ytbelagda tätningar är av ett primärt intresse för turbinkomponenter. _ En keramiskt ytbelagd tätningskonstruktion, somiär anordnad att uppta skillnader i värmeutvidgningskoefficient mellan det keramiska ytmaterialet och ett underliggande metallsubstrat, beskrivs i US-PS ll 109 031 ("Stress Relíef of Metal-Ceramic Gas Turbine Seals"). Graderade materialskikt, i vilka de relativa mähgderna metall och keramiskt materialvarieras från hundra procent (10096) metall vid metallgränsytan till hundra procent (10096) keramiskt material vid den keramiska gränsytan, appliceras på metallsubstratet. _ . _ En annan typ av keramiskt ytbelagda tätningskonstruktioner diskuteras i en artikel presenterad vid 1976 Joint Fall Meeting av avdelningen Basic Science, - Electronics and Nuclear Divisions of the American Ceramic Society, med titeln “Bionding Ceramic Materials to Metallic Substrates for High Temperature, Low- Weight Applications", och i NASA Technical Memorandum, NASA TM-73852, med titeln "Preliminary Study of Cyclic Thermal Shock Resistance of Plasma-Sprayed Zirconium Oxide Turbine Outer Air Seal Shrouds". Enligt de beskrivna systemen förbinder en matta av sintrade trådar ett keramiskt skikt med ett underliggande metallsubstrat. Trâdarna bildar ett eftergivligt skikt, som har förmåga att uppta skillnad i värmeutvidgning mellan substrat och keramiska skikt. I den först- nämnda konstruktionen appliceras det keramiska materialet direkt på tråd- mattan. I den senare konstruktionen appliceras det keramiska materialet på en trädmatta via 0,076 - 0,127 mm bindemedelsbeläggning. _ Även om de ovan diskuterade strukturerna är kända för att vara mycket önskvärda om man kan uppnå adekvat hållbarhet, så krävs en del ytterligare för att strukturerna skall nå sin fulla potential, särskilt för användning i krävande miljöer. ' i Ett primärt syfte med uppfinningen är att åstadkomma en keramiskt ytbelagd struktur, som har god hållbarhet i miljöer med höga temperaturer.

Säker bindning av det keramiska materialet till en underliggande struktur _ eftersträvas, och ett speciellt syfte är att åstadkomma en struktur, som har god tolerans mot skillnader i värmeexpansioner mellan det keramiska materialet och de underliggande strukturerna. [renlighet med sättet enligt uppfinningen: impregneras ett underliggande MCrAlY-material i- ett lågmodulskíkt av poröst' material medelst en höghastig- hetsplasmasprutningsprocess, och 'en keramisk beläggning appliceras på det underliggande materialet för att åstadkomma en keramiskt ytbelagd struktur. '15 8003254-3 3 Enligt åtminstone en detaljerad utföringsform av föreliggande förfaran- de konturformas ett massivt metallsubstrat till den allmänna formen hos det önskade keramiska ytmaterialet, ett lågmocliiligt trâdmderlägg eller -skikt med nära . likformig tjocklek binds till substratets konturformade yta, trâdskiktet impregneras med MCrAlY-material med en höghastighetsplasmasprutningsprocess för att bilda ett underliggande skikt, _och keramiskt ytbeläggningsmaterial appliceras på det underliggande skiktet.

Ett primärt särdrag vid förfarandet enligt uppfinningen är steget att applicera en underliggande beläggning av material av MCrAliY-typ på lâgmodul- skiktet före appliceringenfl av det keramiska ytbeläggningsmaterialet. Vid. åtminstone en utföringsform binds lågmodulskiktet först till ett massivt, me- talllskt substrat. Den MCrAlY-material omfattande underliggande beläggningen appliceras medelst en höghastighetsplasmasprutningsprocess, som beskrivs ivârt US-patent l:- 235 9143. Keramiskt beläggningsmaterial appliceras över MCrAlY- underlaget.

En huvudsaklig fördel med föreliggande uppfinning är god bindning av ' det keramiska materialet till den underliggande substrukturen. Det underliggande skiktet av MCrAlY-material underlättar bindningen av det keramiska materialet till det porösa skiktet. Djup inträngning av det underliggandevmaterialet in i det g porösa skiktet uppnås genom den angivna höghastighetsplasmasprutningsprocessen.

Vid åtminstone en utföringsform appliceras det underliggande materialet med _ reducerad temperatur vid plasmasprutningsprocessen för att förhindra oxidation av skiktmaterialet. Det porösa skiktet vid utföringsformer med ett massivt gmetalliskt substrat upptar olikartad värmeutvidgning mellan det keramiska materialet och substratet". Vid utföringsformer utan massivt substrat bildar mellan- lägget en form, på vilken det keramiska materialet appliceras. Betydande tjocklekar eller djup av keramiskt beläggningsmaterial kan appliceras på komponenter utan skadliga brott på det keramiska ytbeläggningsmaterialet under användning av en belagd komponent. Ytmaterialets benägenhet till delaminering från substratet och uppspjälkning reduceras.

De ovan angivna och andra föremål, särdrag och fördelar med uppfinningen kommer att framgå bättre av den efterföljande detaljerade beskrivningen av en föredragen utföringsform därav med hänvisning till de bifogade ritningarna, i vilka ' 7 Fig. 1 är en förenklad perspektivvy av ett massivt metallsubstrat av den typ som används vid tillverkning av en yttre lufttät tätning, Fig. 2 illustrerar steget med att binda ett p0röfit Skíkt av likformig tjocklek till substratet enligt Fig. l, DPDODOR nllfll rrv .'10 -fâ 85003254-3 ll Fig. 3 illustrerar steget att impregnera det porösa skiktet enligt Fig. 2 i med ett underliggande MCrAlY-material, Fig. ll- illustrerar steget att applicera ett keramiskt ytbeläggnings- material på det impregnerade porösa skiktet .enligt Fig. 3, Fig. 5 illustrerar tillämpning av uppfinningens grundtanke på en keramisk förbränningskammarkomponent, ' Ä Fig. 6 illustrerar tillämpning av uppfinningstanken på en keramiskt ytbelagd turbinaerofoil, g Fig. 7a och 7b är fotografier avett trådskikt före appliceringen av det s underliggande MCrAlY-materialet, och Fig. Sa och 8b är fotografier, somvisar trâdskiktet enligt Fig. 7efter det detta belagts med underliggande material.

Grundtankarna i uppfinningen illustreras med avseende på tillverkning av _ högtemperaturtåliga komponenter för gasturbinmotorer, men de är .på liknande sätt tillämpbara på motsvarande andra strukturer, på vilka ett skikt av keramiskt ytmaterial är önskvärt. _ Ett massivt metallsubstrat 10 illustreras i Fig. 1. Substratet har en bågformad yta .l2, som är formad till den allmänna kontur av keramiskt ytmaterial, som eftersträvas på den aktuella delen. I Fig. 2 är ett poröst, metalliskt skikt lll av ett material med låg elasticitetsmodul, t.ex. det illustrerade ståltrådsnätet, förbundet med metallsubstratet. I Fig. 3 har lågmodulskiktet impregnerats med ett underlag 16 av en beläggning av en legering innehållande krom och aluminium och åtminstone ett element valt ur gruppen järn, kobolt och nickel. Legeringen kan eventuellt innehålla ett eller flera element ur gruppen yttrium och sällsynta jordartsmetaller. Sådana legeringar som innehåller yttrium är inom industrin kända som "MCrAlW-material, där beteckningen "M" står för minst ett av elementen ur gruppen järn, kobolt och nickel. I Fig. 4 har ett keramiskt ytmaterial l8 applicerats på underlagsbeläggningen.

Vid en utföringsform, nämligen den med en yttre lufttätningsstruktur som illustreras i Fig. 1 - ll, utgjordes det porösa-skiktet av en tråd av järnbaserad legeríng (FeCrAlY) med en diameter på 0,127 - 0,152 mm. Skiktet var komprime- rat till en densitet av trettiofem procent (3596) trådmaterial och sintrai 'för att åstadkomma åtminstone partiell mellallurgisk bindning mellan intilliggande trådar. Man utnyttjade en slutlig skikttjoddek på 1,52 mm. Skikttjocklekar inom området 0,76 - 5,0 mm anses vara föredragna för de flesta tillämpningar. Mindre tjocklekar ger oftast inte tillräckligt god förmåga att uppta värmeutvidgning, medan större tjocklekar oftast inte ger en tillräckligt styv struktur. Skiktet hårdlöddes vid substratet med hjälp av konventionell teknik, och bindningen . n» ......._..,.l. Magna-a.. V-...f ' 8003254-3 befanns vara effektiv.

Vid denna struktur användes en 'underlagsbeläggning av NiCrAlY- legeringsmaterial bestående av: lll - 20 vikt-96 krom; ll - 13 vikt-96 aluminium; 0,10 - 0,70 vikt-W: yttrium; 2 vikt-96 (maximumlkobolt, och återstoden nickel.

Ett ekvivalent beläggningsdjup, dvs. djupet eller tjockleken på beläggningen om den applicerats på en platt yta, på ungefär 0,127 mm avsattes i trådskiktet.

:Ekvivalenta beläggningsdjup inom området 0,101- 0,251: mm anses vara före- dragna vid de flesta tillämpningar. Mindre djup kan. oftast inte ge tillräckligt underlag för att det därefter belagda 'keramiska materialet skall kunna bindas, medan större djup kan komma att helt fylla mellanrummen mellan trådarna och därigenom ge en otillräckligt oregelbunden yta för det keramiska materialet att bindas till. Andra lämpliga underlagsmaterial är tänkta .att innefatta den nickel- kobolt-baserade legeringen "NiCoCrAlY", den koboltbaserade legeringen "CoCrAlY" och den järnbaserade legeringen "FeCrAlY". ' Effektiv applicering av underlagsmaterialet är kritisk för de här beskrivna grundtankarna. Underlaget måste' väl penetrera in i trådmellanlägget och stadigt bindas till trådarna. En lämplig appliceringsteknik beskrivs i vårt 'US-patent 4 235 943. Vid denna teknik mjukgörs underlagspartiklar i en plasmaström och accelereras iströmmen till hastigheter av stor- leksordningen 1220 m per sekund. Den höga hastigheten möjliggör för partiklarna att väl tränga in i det porösa-trâdskiktet. Samtidigt är temperaturen på utflödet vid den beskrivna plasmasprutningsprocessen betydligt lägre än den som används vid konventionella plasmasprutningsprocesser. De utnyttjade lägre temperaturerna förhindrar överhettning av trådfibrerna iskiktet, så att trådarna inte oxideras innan godtagbara beläggningar kan appliceras. Trådtemperaturer lägre än 538°C för FeCrAlY-trâdar krävs i allmänhet för att tillförsäkra att oxidation inte sker av trådarna. Fibertemperaturer begränsade till ett omrâde 427°C - #82°C är föredragna.

Fig. 7 illustrerar ett trådskikt bildat av .trådar med diameter på 0,127 - 152 mm. Trâdskiktet formas till en tråddensitet på trettiofem procent (35%) före appliceringen. av MCrAlY-underlagsbeläggningen. Fotografierna visar belägg- ningen betraktad med svepelektronmikroskop vid 50 resp. 200 gångers förstoring.

'De enskilda trådarna har relativt slät yttextur. Fig. 8 illustrerar ett trådskikt med samma dimensioner och porositet som det i Fig. 7 illustrerade skiktenâkiktet enligt Fig. 8 har dock impregnerats med ett underlagsmaterial av MCrAlY-typ. l5 ' 8003254-3 6 Ytorna på trådarna är väsentligen uppruggade. Det avsatta underlaget har god bindning till tråden och erbjuder en ideal yta för att uppta det keramiska skiktet.

Höghastighetsplasmasprutprocessen för avlagringen av MCrAlY-materialet -fâr detta material att väl tränga in i trlâdskiktet. Den låga plasmatemperatur som används vidlappliceringen av 'underlaget gör det osannolikt att trådarna oxideras innan en god beläggningsbindning uppnåtts. _ Vid strukturen avsattes ett keramiskt material av med yttriumoxid stabiliserad zirkoníumoxid, nominellt bestående av 80 vikt-96 zirkoniumoxid,(Zr02); och vikt-96 yttriumoxid (Y203), till ett ekvivalent djup av 1,52 mm. Djup i omrâdet 0,508 - 2,54 'mm anses vara lätta att åstadkomma och till och med större djup kan uppnås. Olegerade pulver av zirkoniumoxid och yttriumoxid applicerades med konventionella plasmasprut- hastigheter på 2l+3 - 365 m/sekund. Förlegerade keramiskaupulver kan dock ge ännu effektivare strukturer. Andra inom industrin kända keramiska kompositioner förväntas ge förutsägbara strukturer, som är väl lämpade för liknande tillämp- ningar. l i Fig. 5 illustrerar en förbränningskammarkomponent för en gasturbin- motor, som är tillverkad i enlighet med de här beskrivna idéerna. I den visade förbränningskammaren uppbärs inte trådskiktet, vilket var fallet vid den beskrivna yttre lufttätningen, av någon massiv bärare. Den keramiska beläggningen som sådan avsätts till ett djup, som ger tillfredsställande styvhet hos förbrännings- 'kammarstrukturem Såsom vid fallet med den beskrivna yttre lufttätningen impregneras trâdskiktet först med MCrAlY-material för atfmöjliggöra för det keramiska materialet att stadigt bindas till trådskiktet. _ Fig. 6 illustrerar en turbinaerofoilstruktur tillverkad i enlighet med den beskrivna metoden. Liksom vid det beskrivna fallet med en yttre tätningsstruktur avsätts det keramiska ytmaterialet på ett trâdskikt, som först har bundits till ett massivt metallsubstrat och sedan impregnerats med ett underlagsmaterial. Man kan också tillverka .aerofoilstrukturer formade kring ett impregnerat skikt utan något massivt metallsubstrat. i Även om uppfinningen visats och beskrivits med avseende på föredragna utföringsformer därav, så bör det vara uppenbart för fackmannen att olika' ändringar och uteslutningarvad gäller dess form och' detaljerlkan göras utan att man avviker från uppfinningens grundtanke. -

Claims (13)

1. 0 15 'zu 25 30 35 8003254-3 1 PAraNrKRAv g l. Sätt att tillverka en struktur med keramisk ytbeläggning, varvid' manlsom underlagsbeläggning (S16) använder ett material av MCrÅlY-typ, där M är en metall vald bland järn, kobolt, nickel och/eller blandningar- därav, och ett yttre keramiskt material (l 8) appliceras över underlagsbeläggningens yta, k ä n n e t e c k nia t av att man formar ett poröst skikt (lll) av metalliskt material till den allmänna konturen hos den önskade slutliga ytan, impregnerar I det porösa skiktet (lll) med underlagsbeläggningen (16) av material av MCrAlY- typ på den konturformade ytan hos skiktet för att åstadkomma en ruggad yta, varvid detta steg inbegriper applicering av underlagsbeläggningen med belägg- ningspartikelhastigheter av storleksordningen 1220 m per sekund för att åstadkomma djup impregnering av beläggningen i det porösa skiktet (l ll), och att man applicerar det keramiska materialet (18) över skiktets ruggade yta för att bilda den keramiskt ytbelagda strukturen.

2.5 i Sätt enligt patentkravet l, . k n n e t e c k n a t av att steget med impregnering av det porösa skiktet (l ll) inbegriper applicering av NiCrAlY-material väsentligen bestående av il - zo vikt-el, krom, ll - 13 vikt-96 aluminium, o,1o - 0,70 vikt-el yurium, _ _ högst 2 vikt-96 kobolt, och återstoden nickel.

3. Sätt enligt patentkravet l eller 2, k ä n n e t e c k n a t av att steget med impregnering av det porösa skiktet (lll) inbegriper applicering av ett ekvivalent materialdjup i området 0,l0l-0,25ll mm, speciellt ungefär 0,127 mm. i ll.

Sätt enligt något av patentkraven l till 3, k ä n n e t e c k n a t av att det porösa metallskiktet (lll) har väsentligen likformig tjocklek och binds till ett metalliskt substrat (12) format till den allmänna konturen hos den önskade keramiska ytbeläggningen.

5. Struktur med keramisk ytbeläggning lämpad för användning i högtempe- raturmiljöer och framställd medelst sättet enligt något av patentkraven l till ll, innefattande en underlagsbeläggning (16) av MCrAlY-material, där M är en metall vald bland järn, nickel, kobolt och/eller blandningar därav, och ett keramiskt material (18) som applicerats över underlagsbeläggningen (16) för att bilda den keramiska ytan på strukturen, 10 15 20 25 30 _~sons2s4-zei 8 k ä n n e t e c k n a d av att den innefattar ett poröst skikt (14) av metalliskt - material med låg elasticitetsmodul, vilket skikt är format till den allmänna konturen hos den önskade, keramiskt ytbelagda strukturen, och att underlags- _ beläggningenrflá) av material av MCrAlY-typ har e'tt ekvivalent djup större än ' 0,127 mm men mindre än 0,254 mm, vilken beläggning är impregnerad in i det porösa skiktet (lll) för att åstadkomma en ruggad yta 'för bindning av det keramiska materialet.

6. I Keramiskt ytbelagd struktur enligt patentkravet 5, k. ä n n e t e c k n a d av att underlagsmaterialet (16) bestårav ett nickel- (baserat material (NiCrAlY) väsentligen Bestående av ' 14 - 20 vikt-fx, mm, ' ll - 13 vikt-96 aluminium, 0,10 - 0,70 vikt-96 yttrium, högst 2 vikt-96 kobolt, och återstoden nickel.

7. Keramiskt ytbelagd struktur enligt patentkravet 5 eller 6, _ k ä n n e t e c k n a d av att underlagsbeläggningen (16) har avsatts medelst en höghastighetsplasmasprutprocess, vid vilken underlagsmaterialet sprutats på skiktet (Ill) med en hastighet av storleksordningen 1220 m/sekund.

8. _ Keramiskt ytbelagd struktur enligt något av patentkraven 5 till 7, k ä n n e t e c k n a d av att det porösa skiktet (14) av metalliskt material har en materialtäthet på ungefär trettiofem procent (3596). _

9. Keramiskt ytbelagd struktur enligt något av patentkraven 5 till 8, k ä n n e t e- c k n a d av att det porösa skiktet (lll) är tillverkat av _ trådmaterial.

10. Keramiskt ytbelagd struktur enligt patentkravet 9, k ä n n e t e c k_n a d av att diametern på tråden är ungefär 0,127 mm.

Keramiskt ytbelagd struktur enligt patentkravet 9 eller 10, av att tråden är tillverkad av järnbaserad legering ll. kännetecknad (FeCrAlY).

l2. Keramiskt ytbelagd struktur enligt något av patentkraven 5 till ll, k ä n n e t e c k n a d av att det keramiska materialet (18) huvudsakligen består av zirkoniumoxid och yttriumoxid, exempelvis har en sådan sammansättning, att det väsentligen består av 80 vikt-96 zirkoniumoxid (ZrOz) och 20 vikt-96 yttriumoxid (Y2O3). ¶soo32s¿-5 9

13. Keramiskt ytbelagd struktur enligt patentkravet 12, k ä »n n e t e c k n a d av att det keramiska materialet har ett ekvívalent djup - mom område: o,sos-2,sa mm, r.ex. ca 1,52 mm.