SE525925C2 - Ceramic thermal barrier coating for blades of gas turbine engine, has inner thermal barrier coating layer with different microstructure than outer thermal barrier coating layer - Google Patents

Ceramic thermal barrier coating for blades of gas turbine engine, has inner thermal barrier coating layer with different microstructure than outer thermal barrier coating layer

Info

Publication number
SE525925C2
SE525925C2 SE0202833A SE0202833A SE525925C2 SE 525925 C2 SE525925 C2 SE 525925C2 SE 0202833 A SE0202833 A SE 0202833A SE 0202833 A SE0202833 A SE 0202833A SE 525925 C2 SE525925 C2 SE 525925C2
Authority
SE
Sweden
Prior art keywords
tbc
coating
layer
powder
powder particles
Prior art date
Application number
SE0202833A
Other languages
Swedish (sv)
Other versions
SE0202833D0 (en
SE0202833L (en
Inventor
Jan Wigren
Mats-Olov Hansson
Original Assignee
Volvo Aero Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Volvo Aero Corp filed Critical Volvo Aero Corp
Priority to SE0202833A priority Critical patent/SE525925C2/en
Publication of SE0202833D0 publication Critical patent/SE0202833D0/en
Priority to AU2003265038A priority patent/AU2003265038A1/en
Priority to RU2005112706/02A priority patent/RU2325467C2/en
Priority to EP03798629A priority patent/EP1549782A1/en
Priority to JP2004539704A priority patent/JP4616648B2/en
Priority to PCT/SE2003/001472 priority patent/WO2004029330A1/en
Publication of SE0202833L publication Critical patent/SE0202833L/en
Publication of SE525925C2 publication Critical patent/SE525925C2/en

Links

Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C28/00Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D
    • C23C28/04Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D only coatings of inorganic non-metallic material
    • C23C28/042Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D only coatings of inorganic non-metallic material including a refractory ceramic layer, e.g. refractory metal oxides, ZrO2, rare earth oxides
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C28/00Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D
    • C23C28/30Coatings combining at least one metallic layer and at least one inorganic non-metallic layer
    • C23C28/32Coatings combining at least one metallic layer and at least one inorganic non-metallic layer including at least one pure metallic layer
    • C23C28/321Coatings combining at least one metallic layer and at least one inorganic non-metallic layer including at least one pure metallic layer with at least one metal alloy layer
    • C23C28/3215Coatings combining at least one metallic layer and at least one inorganic non-metallic layer including at least one pure metallic layer with at least one metal alloy layer at least one MCrAlX layer
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C28/00Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D
    • C23C28/30Coatings combining at least one metallic layer and at least one inorganic non-metallic layer
    • C23C28/34Coatings combining at least one metallic layer and at least one inorganic non-metallic layer including at least one inorganic non-metallic material layer, e.g. metal carbide, nitride, boride, silicide layer and their mixtures, enamels, phosphates and sulphates
    • C23C28/345Coatings combining at least one metallic layer and at least one inorganic non-metallic layer including at least one inorganic non-metallic material layer, e.g. metal carbide, nitride, boride, silicide layer and their mixtures, enamels, phosphates and sulphates with at least one oxide layer
    • C23C28/3455Coatings combining at least one metallic layer and at least one inorganic non-metallic layer including at least one inorganic non-metallic material layer, e.g. metal carbide, nitride, boride, silicide layer and their mixtures, enamels, phosphates and sulphates with at least one oxide layer with a refractory ceramic layer, e.g. refractory metal oxide, ZrO2, rare earth oxides or a thermal barrier system comprising at least one refractory oxide layer
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C30/00Coating with metallic material characterised only by the composition of the metallic material, i.e. not characterised by the coating process
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C4/00Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge
    • C23C4/02Pretreatment of the material to be coated, e.g. for coating on selected surface areas
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C4/00Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge
    • C23C4/04Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge characterised by the coating material
    • C23C4/10Oxides, borides, carbides, nitrides or silicides; Mixtures thereof
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01DNON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/12Blades
    • F01D5/28Selecting particular materials; Particular measures relating thereto; Measures against erosion or corrosion
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01DNON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/12Blades
    • F01D5/28Selecting particular materials; Particular measures relating thereto; Measures against erosion or corrosion
    • F01D5/288Protective coatings for blades
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23RGENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R3/00Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
    • F23R3/007Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel constructed mainly of ceramic components

Abstract

A thermal barrier coating (TBC) layer (1) is deposited directly or through an intermediate bond coating (3), with respect to a metallic substrate (2). The TBC layer has an inner TBC layer (4) with a different microstructure than the outer TBC layer (5), attached directly to the substrate or to the intermediate bond coating. Independent claims are also included for the following: (1) coated metallic substrate; and (2) ceramic thermal barrier coating applying method.

Description

H 20 25 30 35 TBC-beläggningen bör ha så låg värmeledningsförmàga som möjligt samtidigt som den uppvisar tillräckliga termomeka- niska egenskaper, såsom värmechocksbeständighet och cyk- lingshàllfasthet, och även vara tunn för att spara vikt och utrymme. H 20 25 30 35 The TBC coating should have as low a thermal conductivity as possible while exhibiting sufficient thermomechanical properties, such as heat shock resistance and cycling strength, and also be thin to save weight and space.

SYFTET MED UPPFINNINGEN Ett syfte med den föreliggande uppfinningen är att tillhan- dahålla ett förfarande för applicering av en sådan belägg- ning som resulterar i en beläggning som kombinerar egenska- perna av låg värmeledningsförmåga, tillräcklig mekanisk. hàllfasthet och låg vikt.OBJECT OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a method for applying such a coating which results in a coating which combines the properties of low thermal conductivity, sufficiently mechanical. strength and low weight.

Metoden för applicering eller avsättning av en sådan be- läggning ska vara okomplicerad, enkel att repetera och gynna effektiv produktion av belagda substrat i industriell skala (inte enbart i laboratorieskala).The method of application or deposition of such a coating must be uncomplicated, easy to repeat and promote efficient production of coated substrates on an industrial scale (not only on a laboratory scale).

Den erhållna värmebarriärbeläggningen ska vara lämplig som ett temperaturisolerande material på metalliska konstruk- tionselement som arbetar i krävande värmeförhàllanden, ty- piskt ett metallkonstruktionselement i gasturbinmotorer, såsom ett turbinblad eller en brännkammare.The resulting heat barrier coating should be suitable as a temperature insulating material on metallic structural elements operating in demanding heat conditions, typically a metal structural element in gas turbine engines, such as a turbine blade or a combustion chamber.

KORT BESKRIVNING AV UPPFINNINGEN ,Syftet med uppfinningen uppnås med hjälp av det inlednings- vis definierade förfarandet, kännetecknat av att de pulver- partiklar som används för producering av det första TBC- skiktet uppvisar en lägre porositet än de pulverpartiklar som används för efterföljande producering av det andra TBC- skiktet på det belagda substratet, och att det första TBC- skiktet uppvisar en annan mikrostruktur än det andra, yttre TBC-skiktet. ' t ' Enligt ett föredraget utföringsexempel av uppfinningen upp- visar de pulverpartiklar som används för appliceringen av det första TBC-skiktet en tät sintrad struktur. I syfte att W U 20 25 30 35 r A P (~n c v-Mxs' zrux/ 3 uppnå en sådan struktur innefattar det uppfinningsenliga förfarandet företrädesvis ett steg som inbegriper sintring av agglomerat av pulverkorn i syfte att bilda nämnda pul- verpartiklar.BRIEF DESCRIPTION OF THE INVENTION The object of the invention is achieved by means of the initially defined process, characterized in that the powder particles used for the production of the first TBC layer have a lower porosity than the powder particles used for the subsequent production of the the second TBC layer on the coated substrate, and that the first TBC layer has a different microstructure than the second, outer TBC layer. According to a preferred embodiment of the invention, the powder particles used for the application of the first TBC layer have a densely sintered structure. In order to achieve such a structure, the process according to the invention preferably comprises a step which comprises sintering agglomerates of powder grains in order to form said powder particles.

Företrädesvis uppvisar de pulverpartiklar som används för appliceringen av det andra TBC-skiktet en porös struktur.Preferably, the powder particles used for the application of the second TBC layer have a porous structure.

Det har visat sig fördelaktigt om varje pulverpartikel in- nefattar ett agglomerat av pulverkorn omgivet av ett skal eller en beläggning av smält pulvermaterial. En sådan mik- rostruktur kan åstadkommas genom att förfarandet inkluderar ett steg som inbegriper HOSP-behandling av pulverkornagglo- merat i syfte att bilda nämnda pulverpartiklar.It has been found advantageous if each powder particle comprises an agglomerate of powder grains surrounded by a shell or a coating of molten powder material. Such a microstructure can be achieved by the method including a step involving HOSP treatment of powder grain agglomerate in order to form said powder particles.

De agglomerat av pulverkorn som antingen är sintrade eller HOSP-behandlade framställs normalt genom en process vid vilken en sats av pulver, med en kornstorlek av exempelvis 0,5-5 mikrometer, företrädesvis l-2 mikrometer, introduce- ras i en vätskeblandning som innehåller ett bindemedel, för att därefter tillåtas torka under sådana förhållanden att agglomerat med en typisk diameter av 10-150 mikrometer bil- das när vätskan elimineras.The agglomerates of powder grains which are either sintered or HOSP-treated are normally prepared by a process in which a batch of powder, with a grain size of, for example, 0.5-5 micrometers, preferably 1-2 micrometers, is introduced into a liquid mixture containing a binder, to then be allowed to dry under such conditions that agglomerates with a typical diameter of 10-150 micrometers are formed when the liquid is eliminated.

Enligt ett föredraget utföringsexempel inkluderar den skiljaktiga mikrostrukturen en skiljaktig andel, fördelning eller orientering av porer i det första skiktet i jämfö- relse med det andra skiktet. Mest föredraget är att det första skiktet uppvisar mindre porositet, d.v.sl en mindre andel porer, än det andra skiktet. D Det andra skiktet har en lägre värmeledningsförmàga än det första skiktet, varvid den lägre värmeledningsförmàgan här- rör från skillnaden i mikrostruktur, medan det första skik-» tet har en högre hållfasthet än det andra skiktet, varvid den högre hâllfastheten härrör från skillnaden i mikro- struktur. Det första skiktets uppgift är att ge den kera- miska TBC-beläggningen en tillräcklig mekanisk hållfasthet » och vidhäftning mot det underliggande materialet. På grund av sin förhöjda porositet uppvisar det andra skiktet självt 10 U 20 25 30 35 Prïlf flfaf* \/A_\f 4 inte något tillräckligt bidrag till TBC-beläggningens meka- niska hållfasthet. Å andra sidan, tack vare dess ökade porositet, garanterar det andra skiktet en mycket låg vär- meledning. Företrädesvis definierar det andra TBC-skiktet ett yttre skikt som är direkt exponerat mot omgivningen.According to a preferred embodiment, the different microstructure includes a different proportion, distribution or orientation of pores in the first layer compared to the second layer. Most preferably, the first layer has less porosity, i.e. a smaller proportion of pores, than the second layer. The second layer has a lower thermal conductivity than the first layer, the lower thermal conductivity being due to the difference in microstructure, while the first layer has a higher strength than the second layer, the higher strength being due to the difference in micro - structure. The task of the first layer is to give the ceramic TBC coating sufficient mechanical strength »and adhesion to the underlying material. Due to its increased porosity, the second layer itself does not make a sufficient contribution to the mechanical strength of the TBC coating. On the other hand, thanks to its increased porosity, the second layer guarantees a very low heat conduction. Preferably, the second TBC layer defines an outer layer that is directly exposed to the environment.

Enligt ett föredraget utföringsexempel på uppfinningen har de första och andra skikten samma kemiska sammansättning.According to a preferred embodiment of the invention, the first and second layers have the same chemical composition.

Med ”samma komposition” avses väsentligen samma huvudkompo- nenter eller -element, t.ex. zirkoniumoxid eller dyspro- siumoxid. De exakta proportionerna av elementen i TBC-skik- ten kan skilja sig mellan de första och andra skikten, men företrädesvis är även proportionerna desamma för de två _skikten.By "same composition" is meant essentially the same main components or elements, e.g. zirconia or dysprosium oxide. The exact proportions of the elements in the TBC layers may differ between the first and second layers, but preferably the proportions are also the same for the two layers.

Företrädesvis innefattar TBC-beläggningen stabiliserad zir- koniumoxid, närvarande som ZrO2, normalt tetragonal eller kubisk stabiliserad zirkoniumoxid. Stabiliseringen av zir~ koniumoxiden kan uppnås med hjälp av något inom tekniken väl känt stabiliseringsmedel, såsom någon metalloxid vald från den grupp som består av erbiumoxid, neodymoxid, gado- liniumoxid, yttriumoxid, kalciumoxid, magnesiumoxid, indi- umoxid, skandiumoxid och ytterbiumoxid och blandningar av dessa.Preferably, the TBC coating comprises stabilized zirconia, present as ZrO 2, normally tetragonal or cubic stabilized zirconia. The stabilization of zirconia can be achieved by any stabilizer well known in the art, such as any metal oxide selected from the group consisting of erbium oxide, neodymium oxide, gadolinium oxide, yttria, calcium oxide, magnesium oxide, indium oxide, scandium oxide and mixtures. of these.

TBC-kompositionen kan även innefatta någon metalloxid som innehåller en kvadrivalent metalljon vald från den grupp _som består av hafniumdioxid, ceriumdioxid, uraniumdioxid ' och blandningar av dessa.The TBC composition may also comprise any metal oxide containing a quadrivalent metal ion selected from the group consisting of hafnium dioxide, cerium dioxide, uranium dioxide and mixtures thereof.

TBC-kompositionen kan även innefatta någon metalloxid vald .från den grupp som består av nickeloxid, koboltoxid eller kromiumoxid.The TBC composition may also comprise any metal oxide selected from the group consisting of nickel oxide, cobalt oxide or chromium oxide.

Företrädesvis är emellertid zirkoniumoxiden stabiliserad med hjälp av dysprosiumoxid, DyO2. Typiskt är andelen -dysprosiumoxid mellan 2 och 30 viktprocent, företrädesvis mellan 10 och 20 viktprøcent. 10 15 20 25 30 35 r' n .ff (1 fw w 'v ._ k) f i.. k) 5 Tjockleken hos det andra skiktet bör vara större än den för det första skiktet. Tjockleken hos det första skiktet bör vara lO-100 mikrometer, företrädesvis 40-75 mikrometer.Preferably, however, the zirconia is stabilized by dysprosium oxide, DyO2. Typically, the proportion of -dysprosium oxide is between 2 and 30% by weight, preferably between 10 and 20% by weight. 10 15 20 25 30 35 r 'n .ff (1 fw w' v ._ k) f i .. k) 5 The thickness of the second layer should be greater than that of the first layer. The thickness of the first layer should be 10-100 micrometers, preferably 40-75 micrometers.

Det ska inses att en bindbeläggning kan vara placerad mel- lan metallsubstratet och TBC-beläggningen. En sådan bindbe- läggning kan innefatta ett metalloxidskikt, företrädesvis aluminiumoxid, på metallsubstratet. Bindbeläggningen kan även innefatta en aluminid, en platinumaluminid, en MCrAlY- legering eller någon annan aluminiuminnehållande legerings- beläggning på metallsubstratet, och eventuellt ett metall- oxidskikt, företrädesvis aluminiumoxid, avsatt på detta.It will be appreciated that a bonding coating may be located between the metal substrate and the TBC coating. Such a bonding coating may comprise a metal oxide layer, preferably alumina, on the metal substrate. The binder coating may also comprise an aluminide, a platinum aluminide, an MCrAlY alloy or any other aluminum-containing alloy coating on the metal substrate, and optionally a metal oxide layer, preferably alumina, deposited thereon.

Typiskt är metallsubstratet en nickelsuperlegering eller en koboltsuperlegering.Typically, the metal substrate is a nickel superalloy or a cobalt superalloy.

Ytterligare särdrag och fördelar med den föreliggande upp- finningen kommer att framgå av den följande, detaljerade beskrivningen.Further features and advantages of the present invention will become apparent from the following detailed description.

KORT BESKRIVNING AV RITNINGARNA Uppfinningen ska närmare beskrivas med hänvisning till rit- ningarna, på vilka: Fig. l är ett schematiskt tvärsnitt, i förstorad skala, av en mekanisk artikel av en superlegering, vilken innefattar ~en keramisk värmebarriärbeläggning bildad i enlighet med uppfinningen, och Fig; 2 är ett schematiskt tvärsnitt av en anordning för av- sättning av en beläggning i enlighet med uppfinningen, vil- ken anordning arbetar i enlighet med det uppfinningsenligav förfarandet.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The invention will be further described with reference to the drawings, in which: Fig. 1 is a schematic cross-section, on an enlarged scale, of a mechanical article of a superalloy, which comprises a ceramic heat barrier coating formed in accordance with the invention, and Fig.; 2 is a schematic cross-section of a device for depositing a coating in accordance with the invention, which device operates in accordance with the invention according to the method.

DETALJERAD BESKRIVNING AV UPPFINNINGEN Den mekaniska artikel som visas i fig. l innefattar en ke- ramisk värmebarriärbeläggning (TBC) l som är avsatt i en- 10 U 20 25 30 35 f' fx i' (\ {\ f \4 *_ \) v' |..- ä.) 6 lighet med det uppfinningsenliga förfarandet på ett metall- substrat 2 gjort av en superlegering. Substratet 2 är också täckt med ett mellanliggande, metalliskt under- skikt eller en bindbeläggning 3, som är avsatt på substra- tet 2 med hjälp av någon inom tekniken känd process (PVD, CVD, termisk sprutning, etc.).DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The mechanical article shown in Fig. 1 comprises a ceramic heat barrier coating (TBC) 1 which is deposited in a single layer (e.g. in) (\ {\ f \ 4 * _ \ Similar to the method of the invention on a metal substrate 2 made of a superalloy. The substrate 2 is also covered with an intermediate, metallic underlayer or a bonding coating 3, which is deposited on the substrate 2 by means of a process known in the art (PVD, CVD, thermal spraying, etc.).

Bindbeläggningen 3 kan vara en oxid-korrosionshållfast alu- miniumoxidbildande legering av typen MCrAlY (M=Ni och/eller Co och/eller Fe) eller en nickel- eller koboltaluminid, eventuellt modifierad genom tillsats av krom och/eller en eller flera ädelmetaller valda bland platina, palladium, rutenium, iridium, osmium och rodium.The binder coating 3 can be an oxide-corrosion-resistant alumina-forming alloy of the type MCrAlY (M = Ni and / or Co and / or Fe) or a nickel or cobalt taluminide, optionally modified by the addition of chromium and / or one or more precious metals selected from platinum, palladium, ruthenium, iridium, osmium and rhodium.

Den keramiska TBC-beläggningen består av en zirkoniumoxid- bas och en dysprosiumoxid för stabilisering av zirkonium- oxiden och reducering av keramens värmeledningsförmàga. För en ytterligare minskning av värmeledningsförmàgan kan kera- men även innehålla en ytterligare metalloxid som innefattar en kvadrivalent metalljon som har en atommassa större än atommassan för zirkoniumjoner. Den kvadrivalenta metall- jonen kan vara cerium, hafnium eller uranium.The ceramic TBC coating consists of a zirconia base and a dysprosium oxide for stabilizing the zirconia and reducing the thermal conductivity of the ceramic. To further reduce the thermal conductivity, the ceramic may also contain an additional metal oxide comprising a quadrivalent metal ion having an atomic mass greater than the atomic mass of zirconium ions. The quadrivalent metal ion can be cerium, hafnium or uranium.

Den keramiska TBC-beläggningen är indelad i två individu- ella skikt av väsentligen samma kemiska komposition. Ett första skikt 4, som är fästat mot bindbeläggningen 3, och ett andra, yttre skikt 5 som är fästat mot det första skik- tet. Det första skiktet är relativt tätt, för att därigenom vidhäfta väl mot bindbeläggningen, och uppvisar en högre mekanisk hållfasthet än det andra skiktet 5.The ceramic TBC coating is divided into two individual layers of essentially the same chemical composition. A first layer 4, which is attached to the bonding coating 3, and a second, outer layer 5, which is attached to the first layer. The first layer is relatively dense, in order to thereby adhere well to the bonding coating, and has a higher mechanical strength than the second layer 5.

Det andra skiktet 5 uppvisar en mer öppen, porös struktur än det första skiktet Å. På grund av sin porösa struktur har det andra skiktet en ännu lägre värmeledningsförmåga än vad som annars skulle vara fallet._Emellertid är priset för de förbättrade värmeledningsegenskaperna en reducerad vär- mechockhållfasthet eller cyklingshållfasthet, som är avse- värt lägre än den för det första skiktet 4. 10 15 20 259 30 35 1- n ff (. ra =" 7 Som ett resultat av deras olika mikrostruktur, kompletterar de första och andra skikten varandra med sina individuella bidrag till den mekaniska hållfastheten resp. den låga vär- meledningsförmàgan.The second layer 5 has a more open, porous structure than the first layer Å. Due to its porous structure, the second layer has an even lower thermal conductivity than would otherwise be the case. However, the price of the improved thermal conductivity properties is a reduced thermal conductivity. mechock strength or cycling strength, which is considerably lower than that of the first layer 4. As a result of their different microstructure, the first and second layers complement each other with their individual contributions to the mechanical strength or the low thermal conductivity.

Den keramiska TBC-beläggningen har avsatts med hjälp av plasmasprutning. En plasmasprutningsanordning 6 visas sche- matiskt i fig. 2. Anordningen 6 innefattar en anod 7 som omger en katod 8 och bildar ett munstycke för gaser, varvid denna typ av anordning är väl känd inom teknikens stånd- punkt och inte fordrar någon ytterligare detaljerad för- klaring. En ljusbåge och en plasmastråle 9 genereras med hjälp av anoden 7, katoden 8 och gaser som flödar igenom munstycket. Anordningen innefattar dessutom ett medel 10 för introducering av en ström av pulverpartiklar 12 in i plasmastrålen 9. Strålen 9 riktas mot ett substrat 13 och kommer att transportera pulverpartiklarna 12 mot substratet 13 samtidigt som den åtminstone delvis smälter nämnda par- tiklar 12.The ceramic TBC coating has been deposited by plasma spraying. A plasma spray device 6 is shown schematically in Fig. 2. The device 6 comprises an anode 7 surrounding a cathode 8 and forming a nozzle for gases, this type of device being well known in the art and not requiring any further detail for - clearance. An arc and a plasma beam 9 are generated by means of the anode 7, the cathode 8 and gases flowing through the nozzle. The device further comprises a means 10 for introducing a stream of powder particles 12 into the plasma jet 9. The jet 9 is directed towards a substrate 13 and will transport the powder particles 12 towards the substrate 13 at the same time as it at least partially melts said particles 12.

Enligt uppfinningen bildas det första TBC-skiktet 4 på sub- stratet 2, eller närmare bestämt på en bindbeläggning 3 som täcker substratet 2, genom introducering av relativt täta, i förväg sintrade pulverpartiklar 12 i strålen 9. De pul- verpartiklar 12 som används för framställning av det första, skiktet 4 har bildats med hjälp av en process såsom beskri-“ vits tidigare i denna text, d.v.s. genom en agglomererings- och sintringsprocedur.According to the invention, the first TBC layer 4 is formed on the substrate 2, or more particularly on a bonding coating 3 covering the substrate 2, by introducing relatively dense, pre-sintered powder particles 12 into the jet 9. The powder particles 12 used for preparation of the first layer 4 has been formed by a process as described earlier in this text, i.e. through an agglomeration and sintering procedure.

Partiklarna 12, eller åtminstone en väsentlig, företrädes- vis en dominerande del av dessa för framställningen av det första skiktet 4 är helt eller nästan helt smälta när det träffar substratet 2/bindbeläggningen 3, och kommer att bilda ett tätt, porfritt skikt 4. Med tätt menas här mindre' än 5% porositet vid optisk mikroskopi under 200X.The particles 12, or at least a substantial, preferably a predominant part thereof for the production of the first layer 4 are completely or almost completely melted when it hits the substrate 2 / the bonding coating 3, and will form a dense, pore-free layer 4. With dense here means less than 5% porosity by optical microscopy below 200X.

Därefter bildas ett andra skikt 5 genom att man efter in-' troduktionen av de första pulverpartiklarna introducerar pulverpartiklar 12 med en annan mikrostruktur än tidigare.Thereafter, a second layer 5 is formed by introducing after the introduction of the first powder particles powder particles 12 having a different microstructure than before.

N U 20 25 30 35 f" fï F' 4": fä F' v -_..'~J v s-w/ 8 Pulverpartiklarna för framställning av det andra skiktet har en öppnare, porös struktur än de första pulverpartik- larna. Företrädesvis har de framställts på det sätt som ti- digare beskrivits i texten, genom en agglomererings-/HOSP- process, där man med HOSP-processen menar en process av ty- pen Homogeneous Oven Spherical Powder, vilken är en välkänd process inom tidigare teknik.N U 20 25 30 35 f "fï F '4": fä F' v -_ .. '~ J v s-w / 8 The powder particles for producing the second layer have a more open, porous structure than the first powder particles. Preferably, they have been prepared in the manner previously described in the text, through an agglomeration / HOSP process, where by the HOSP process is meant a process of the type Homogeneous Oven Spherical Powder, which is a well-known process in the prior art. .

Pulverpartiklarna 12 för åstadkommandet av det andra skik- tet 5 kommer endast att vara delvis smälta när de träffar det första skiktet 4 eller något eventuellt underliggande material, vad än detta är. Företrädesvis, smälts huvudsak- ligen, eller enbart, ett tidigare bildat skal eller en be- läggning som omger den agglomererande pulverpartikeln me- delst strålen 9. Som ett resultat av detta bildas ett po- röst andra skikt 5. Porositeten är huvudsakligen laminär, varvid porerna är utplattade i ett plan som är väsentligen parallellt med det underliggande materialets 2, 3, 4 plan.The powder particles 12 for producing the second layer 5 will only be partially melted when they hit the first layer 4 or any underlying material, whatever that may be. Preferably, substantially, or only, a previously formed shell or coating surrounding the agglomerating powder particle is melted by the jet 9. As a result, a porous second layer 5 is formed. The porosity is substantially laminar, wherein the pores are flattened in a plane which is substantially parallel to the plane of the underlying material 2, 3, 4.

Porositeten är över 5% till skillnad från det första skik- tet med sin porositet under 5%.The porosity is above 5% in contrast to the first layer with its porosity below 5%.

I syfte att utföra de ovan nämnda stegen, måste olika sprutparametrar justeras korrekt. Sådana parametrar inklu-_ derar ström (spänning), gasflöde, pulvermatningsmängd, pul-« vertemperatur, pulverhastighet, pulverstorlek, pulverintro- duktionsplats (i förhållande till stràlen och avståndet till substratet), och substrattemperatur.In order to perform the above-mentioned steps, various spray parameters must be adjusted correctly. Such parameters include current (voltage), gas flow, powder feed rate, powder temperature, powder rate, powder size, powder introduction site (relative to the beam and distance to the substrate), and substrate temperature.

De ovan nämnda parametrarna kommer att påverka beläggnings- egenskaper såsom mikrostruktur, hårdhet, hållfasthet, spän- ningar, etc, vilket i sin tur kommer att påverka prestandan och livslängden hos den keramiska TBC-beläggningen och det belagda metallsubstratet eller artikeln 2.The above parameters will affect coating properties such as microstructure, hardness, strength, stresses, etc., which in turn will affect the performance and service life of the ceramic TBC coating and the coated metal substrate or article 2.

Det ska inses att den ovan gjorda presentationen av uppfin- _ningen enbart gjorts i exemplifierande syfte, och att al- ternativa utföringsexempel kommer att vara uppenbara för en fackman inom området. Emellertid är det skyddsomfång som 1* n. f" .fx V' v...\/' /.~.\J 9 begärs definierat i patentkraven, vilka stöds av beskriv- ningen och de bifogade ritningarna.It will be appreciated that the above presentation of the invention has been made for illustrative purposes only, and that alternative embodiments will be apparent to one skilled in the art. However, the scope of protection claimed in the claims is defined in the claims, which are supported by the description and the accompanying drawings.

Claims (11)

25 30 35 PATENTKRÄV25 30 35 PATENT REQUIREMENTS 1. Förfarande för applicering av en keramisk värmebarriär- beläggning (1), TBC, pà ett substrat (2), varvid TBC- beläggningen appliceras medelst termisk sprutning av ett pulver av TBC-materialet pà substratet (2) eller en mellan- liggande bindbeläggning (3) mellan substratet (2) och TBC- beläggningen, varvid åtminstone tva skikt (4, 5) av keramisk TBC-beläggning appliceras pà substratet (2) eller bindbeläggningen (3), och de pulverpartiklar som används för producering av ett första TBC-skikt (4), som är närliggande substratet (2) eller bindbeläggningen (3). UPP- visar en annan mikrostruktur än de pulverpartiklar som används för efterföljande producering av ett andra TBC- skikt (5) pä det belagda substratet (2), kånnetecknat av att de pulverpartiklar som används för producering-av det första TBC-skiktet (4) uppvisar en lägre porositet än de pulverpartiklar som används för efterföljande producering av det andra TBC-skiktet (5) pà det belagda substratet (2), och att det första, inre TBC-skiktet (4) uppvisar en annan mikrostruktur än det andra, yttre TBC-skiktet (5).A method of applying a ceramic heat barrier coating (1), TBC, to a substrate (2), the TBC coating being applied by thermal spraying of a powder of the TBC material onto the substrate (2) or an intermediate bonding coating. (3) between the substrate (2) and the TBC coating, wherein at least two layers (4, 5) of ceramic TBC coating are applied to the substrate (2) or the bond coating (3), and the powder particles used to produce a first TBC layer (4), which is adjacent to the substrate (2) or the bonding coating (3). UP- shows a microstructure other than the powder particles used for the subsequent production of a second TBC layer (5) on the coated substrate (2), characterized in that the powder particles used for the production of the first TBC layer (4) has a lower porosity than the powder particles used for the subsequent production of the second TBC layer (5) on the coated substrate (2), and that the first, inner TBC layer (4) has a different microstructure than the second, outer The TBC layer (5). 2. Förfarande enligt krav 1, kånnetecknat av att de pulverpartiklar som ska användas för applicering av det första TBC-skiktet (4) uppvisar en tät, sintrad struktur.Method according to claim 1, characterized in that the powder particles to be used for application of the first TBC layer (4) have a dense, sintered structure. 3. Förfarande enligt krav 1 eller 2, kännetecknat av att det innefattar ett steg som inbegriper sintring av agglomerat av pulverkorn till nämnda pulverpartiklar.A method according to claim 1 or 2, characterized in that it comprises a step comprising sintering agglomerates of powder grains into said powder particles. 4. Förfarande enligt nagot av kraven 1-3, kännetecknat av att de pulverpartiklar som ska används för applicering av det andra TBC-skiktet (5) uppvisar en porös struktur.Method according to one of Claims 1 to 3, characterized in that the powder particles to be used for applying the second TBC layer (5) have a porous structure. 5. Förfarande enligt krav 4, kânnetecknat av att varje pulverpartikel innefattar ett agglomerat av pulverkorn omgivet av ett skal av smält pulvermaterial. 20 rfwr fifé~g vr.--' /-._LJ HA method according to claim 4, characterized in that each powder particle comprises an agglomerate of powder grains surrounded by a shell of molten powder material. 20 rfwr fi fé ~ g vr .-- '/-._LJ H 6. Förfarande enligt krav 4 eller 5, kännatecknat av att det innefattar en HOSP-behandling av agglomerat av pulver- korn i syfte att bilda nämnda pulverpartiklar.A method according to claim 4 or 5, characterized in that it comprises a HOSP treatment of agglomerates of powder granules for the purpose of forming said powder particles. 7. Förfarande enligt nagot av kraven 1-6, kânnetecknat av att de första och andra keramiska TBC-skikten (4, 5) har sama kemiska sammansättning.Method according to any one of claims 1-6, characterized in that the first and second ceramic TBC layers (4, 5) have the same chemical composition. 8. Förfarande enligt nagot av kraven 1-7, kännetecknat av att TBC-beläggningen innefattar stabiliserad zirkoniumoxid, företrädesvis dysprosiumoxidstabiliserad zirkoniumoxid.Process according to any one of claims 1-7, characterized in that the TBC coating comprises stabilized zirconia, preferably dysprosium oxide stabilized zirconia. 9. Förfarande enligt nagot av kraven 1-8, kânnetecknat av att pulverpartiklarnas diameter är 10-150 mikrometer.Method according to any one of claims 1-8, characterized in that the diameter of the powder particles is 10-150 micrometers. 10. Förfarande enligt nagot av kraven 1-9, kännetacknat av att diametern hos de pulverkorn som bildar nämnda pul- verpartiklar är 0,5-5 mikrometer, företrädesvis 1-2 mikro- meter.Method according to any one of claims 1-9, characterized in that the diameter of the powder grains which form said powder particles is 0.5-5 micrometers, preferably 1-2 micrometers. 11. Förfarande enligt nagot av kraven 1-10, kánnetecknat av att TBC-beläggningen appliceras medelst plasmasprutning.A method according to any one of claims 1-10, characterized in that the TBC coating is applied by plasma spraying.
SE0202833A 2002-09-25 2002-09-25 Ceramic thermal barrier coating for blades of gas turbine engine, has inner thermal barrier coating layer with different microstructure than outer thermal barrier coating layer SE525925C2 (en)

Priority Applications (6)

Application Number Priority Date Filing Date Title
SE0202833A SE525925C2 (en) 2002-09-25 2002-09-25 Ceramic thermal barrier coating for blades of gas turbine engine, has inner thermal barrier coating layer with different microstructure than outer thermal barrier coating layer
AU2003265038A AU2003265038A1 (en) 2002-09-25 2003-09-17 A thermal barrier coating and a method of applying such a coating
RU2005112706/02A RU2325467C2 (en) 2002-09-25 2003-09-17 Method of forming thermal barrier coating
EP03798629A EP1549782A1 (en) 2002-09-25 2003-09-17 A thermal barrier coating and a method of applying such a coating
JP2004539704A JP4616648B2 (en) 2002-09-25 2003-09-17 Thermal barrier coating and method of applying such a coating
PCT/SE2003/001472 WO2004029330A1 (en) 2002-09-25 2003-09-17 A thermal barrier coating and a method of applying such a coating

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
SE0202833A SE525925C2 (en) 2002-09-25 2002-09-25 Ceramic thermal barrier coating for blades of gas turbine engine, has inner thermal barrier coating layer with different microstructure than outer thermal barrier coating layer

Publications (3)

Publication Number Publication Date
SE0202833D0 SE0202833D0 (en) 2002-09-25
SE0202833L SE0202833L (en) 2004-03-26
SE525925C2 true SE525925C2 (en) 2005-05-31

Family

ID=20289089

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
SE0202833A SE525925C2 (en) 2002-09-25 2002-09-25 Ceramic thermal barrier coating for blades of gas turbine engine, has inner thermal barrier coating layer with different microstructure than outer thermal barrier coating layer

Country Status (1)

Country Link
SE (1) SE525925C2 (en)

Also Published As

Publication number Publication date
SE0202833D0 (en) 2002-09-25
SE0202833L (en) 2004-03-26

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP4616648B2 (en) Thermal barrier coating and method of applying such a coating
US7258934B2 (en) Thermal barrier coating and a method of applying such a coating
US20160333455A1 (en) Thermal Barrier Coating with Lower Thermal Conductivity
US20120177836A1 (en) High-purity fused and crushed zirconia alloy powder and method of producing same
JPH1088368A (en) Thermal insulation coating member and its production
CN103403225B (en) Produce for protecting the method for the multilayer system thermal boundary of metal parts and being equipped with the parts of this protection system
EP1852521A1 (en) Thermal barrier coatings and processes for applying same
EP2208805A1 (en) Strain tolerant thermal barrier coating system
JP2007231422A (en) Coating process and coated article
JP2007191793A (en) Turbine engine component, method for providing component, and coating system
EP1889948A2 (en) Dual layer ceramic coating
US10808555B2 (en) Quinary, low-conductivity thermal barrier coatings for turbine engine components
Munawar et al. Microstructure and lifetime of EB-PVD TBCs with Hf-doped bond coat and Gd-zirconate ceramic top coat on CMSX-4 substrates
US20050153158A1 (en) Durable thermal barrier coating having low thermal conductivity
US20030008167A1 (en) Process for applying a heat shielding coating system on a metallic substrate
CN101365815B (en) Alloy composition for protective coating preparation, application thereof, high-temperature alloy product applying method and high-temperature alloy product coated with the composition
US8784944B2 (en) Plasma-spray powder manufacture technique
Najafizadeh et al. Thermal barrier ceramic coatings
JP2012052206A (en) Heat-masking coating film, process for production thereof, and heat-resistant alloy member using the same
KR101166150B1 (en) Durable thermal barrier coating having low thermal conductivity
SE525925C2 (en) Ceramic thermal barrier coating for blades of gas turbine engine, has inner thermal barrier coating layer with different microstructure than outer thermal barrier coating layer
US7144602B2 (en) Process for obtaining a flexible/adaptive thermal barrier
US20090291323A1 (en) Dispersion strengthened ceramic thermal barrier coating
US20080166574A1 (en) Insulating material capable of withstanding cyclically varying high temperatures
JP2015096638A (en) Heat resistant member, gas turbine member using the same, and manufacturing method of heat resistant member

Legal Events

Date Code Title Description
NUG Patent has lapsed