DE60125896T2

DE60125896T2 - Thermisch stabilisierte Wärmedämmschicht und deren Aufbringung

Info

Publication number: DE60125896T2
Application number: DE2001625896
Authority: DE
Inventors: Joseph David Milford Rigney; Ramgopal Westchester Darolia
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2000-11-27
Filing date: 2001-11-16
Publication date: 2007-11-08
Anticipated expiration: 2021-11-17
Also published as: EP1209321A3; US6492038B1; EP1209321A2; SG106647A1; DE60125896D1; EP1209321B1

Description

Diese Erfindung betrifft Schutzbeschichtungen für Komponenten, die hohen Temperaturen ausgesetzt sind, so wie die feindliche thermische Umgebung einer Gasturbinenmaschine. Insbesondere ist diese Erfindung gerichtet auf ein Verfahren zum Stabilisieren der Mikrostruktur einer thermischen Barrierebeschichtung (TBC) mit auf Carbid und/oder Nitrid basierenden Abscheidungen, um Abbau der thermischen Isolationseigenschaften der TBC während Hochtemperaturabweichungen zu verhindern.
Höhere Betriebstemperaturen von Gasturbinenmaschinen werden kontinuierlich erdacht, um ihre Effizienz zu erhöhen. Wenn jedoch die Betriebstemperaturen ansteigen, muss die Hochtemperaturbeständigkeit der Bestandteile innerhalb des heißen Gaspfades der Maschine entsprechend ansteigen. Signifikante Fortschritte in Hochtemperaturfähigkeiten wurden durch die Formulierung von Superlegierungen auf Nickel- und Kobaltbasis erreicht. Nichtsdestoweniger sind solche Legierungen alleine, wenn sie verwendet werden, um Bestandteile von Turbine, Brennkammer und Verdichterabschnitten einer Gasturbinenmaschine zu bilden, oftmals empfänglich für Zerstörung durch Oxidation und Heißkorrosionsangriff und können keine angemessenen mechanischen Eigenschaften bewahren. Aus diesem Grund werden diese Bestandteile oftmals durch ein thermisches Barrierebeschichtungssystem (TBC) geschützt. TBC-Systeme beinhalten typischerweise eine Umgebungsschutzbindungsschicht und einen thermisch isolierenden keramischen Überzug, typischerweise als TBC bezeichnet. Bindungsbeschichtungsmaterialien, die in TBC-Systemen weit verbreitet verwendet werden, beinhalten oxidationsbeständige Überzugsbeschichtungen, wie zum Beispiel MCrAlX (wobei M Eisen, Kobalt und/oder Nickel ist und X Yttrium oder ein anderes Seltenerdelemente ist) und oxidationsbeständige Diffusionsbeschichtungen, wie zum Beispiel Diffusionsaluminide, die Aluminiumintermetalle enthalten.
Keramische Materialien und insbesondere Yttriumoxid stabilisiertes Zirkonoxid (YSZ) werden als TBC-Materialien weit verbreitet aufgrund ihrer hohen Temperaturbeständigkeit, geringen thermischen Leitfähigkeit und relativen Leichtigkeit der Ablagerung durch Plasmasprühen, Flammensprühen und physikalische Dampfablagerungstechniken (PVD) verwendet. In den Bereichen von Gasturbinenmaschinen mit den höchsten Temperaturen verwendete TBCs werden oftmals durch physikalische Elektronenstrahl-Dampfablagerung (EBPVD) abgelagert, was eine säulenförmige, spannungstolerante Kornstruktur ergibt, die dazu fähig ist, sich auszudehnen und zu kontrahieren, ohne zerstörerische Spannungen zu verursachen, die zur Zersplitterung führen. Ähnliche Säulenmikrostrukturen können hergestellt werden unter Verwendung von anderen atomaren oder molekularen Dampfprozessen, wie zum Beispiel Sputtern (z.B. Hoch- und Niedrigdruck, Standard- oder kollimierter Dampf), Ionenplasma-Ablagerung und alle Formen von Schmelz- und Verdampfungs-Ablagerungsprozessen (z.B. Kathodenbogen, Laserschmelzen; etc.).
Damit ein säulenförmiges TBC wirksam über den geplanten Lebenszyklus der Komponente, welche es schützt, verbleibt, ist es wichtig, dass das TBC eine niedrige thermische Leitfähigkeit über die Lebensdauer der Komponente aufrecht erhält. Es ist jedoch bekannt, dass die thermischen Leitfähigkeiten von TBC-Materialien, wie zum Beispiel YSZ, mit der Zeit ansteigen, wenn sie der Betriebsumgebung einer Gasturbinenmaschine ausgesetzt werden. Als ein Ergebnis werden TBCs für Gasturbinenmaschinenkomponenten oftmals in einer größeren Dicke abgelagert, als andernfalls notwendig wäre. Alternativ müssen innengekühlte Komponenten, wie zum Beispiel Schaufeln und Düsen, so ausgelegt werden, dass sie einen höheren Kühlungsfluss haben. Diese Lösungen sind beide unerwünscht aus Gründen welche die Kosten, das Komponentenleben und die Maschineneffizienz betreffen.
Einige Beispiele für Beschichtungssysteme gemäß Stand der Technik, die in Gasturbinenmaschinenkomponenten verwendet werden, werden unten diskutiert. Zum Beispiel beschreibt US-Patent Nr. 5 906 895 ein thermisches Barrierebeschichtungsbauteil zur Verwendung für ein solches Bauteil für eine Gasturbine aus einem metallischen Bauteil aus einer Superlegierung, die hauptsächlich aus zumindest einem von Ni, Co und Fe zusammengesetzt ist, einer Zwischenschicht, die aus einer MCrAlY-Legierung zusammengesetzt ist (M bedeutet zumindest eines aus Ni, Co und Fe), welche dieses metallische Substrat bedeckt und einer keramischen Schicht, die hauptsächlich aus stabilisiertem Zirkonoxid zusammengesetzt ist, die auf der Zwischenschicht gebildet wird. Ein keramisches Material mit einem höheren Schmelzpunkt als Zirkonoxid wird in die keramische Schicht als ein Bauteil zum Unterdrücken einer Sinterungsreaktion der keramischen Schicht eingemischt.
Weiterhin beschreibt US-Patent Nr. 6 129 988 Verfahren zur Modifizierung von MCrAlY-Bindungsbeschichtungen durch Verwendung von Gascarburierung, Gasnitrierung oder Gascarbonitrierung. Die modifizierten MCrAlY-Bindungsbeschichtungen sind geeignet für thermische Barrierebeschichtungssysteme, die in Gasturbinenmaschinen verwendet werden können.
Im Hinblick auf das oben Gesagte kann man einsehen, dass weitere Verbesserungen in der TBC-Technologie erwünscht sind, insbesondere da TBCs in thermischen Isolationskomponenten eingesetzt werden, die für Maschinendesigns mit höheren Anforderungen gedacht sind.
Gemäß vorliegender Erfindung wird eine Komponente zur Verfügung gestellt, die eine thermische Barrierebeschichtung mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 besitzt und ein Verfahren zur Bildung einer thermischen Barrierebeschichtung mit den Schritten gemäß Anspruch 12.
Die vorliegende Erfindung stellt allgemein eine thermische Barrierebeschichtung (TBC) und ein Verfahren zur Bildung der Beschichtung auf einer Komponente zur Verfügung, die für die Verwendung in einer feindlichen Umgebung, wie zum Beispiel der Superlegierungsturbine, Brennkammer und Verdichterbestandteilen einer Gasturbinenmaschine, gedacht ist. Diese Beschichtungen und Verfahren sind insbesondere gerichtet auf die Inhibierung von Kornwachstum, Sintern und Porenvergröberung oder -vereinigung in der TBC während Hochtemperaturabweichungen. Verbesserungen, die durch diese Erfindung erhalten werden, sind insbesondere offensichtlich, wenn die TBC eine säulenförmige Kornstruktur hat, so wie jene, die durch EBPVD und andere PVD-Techniken abgelagert werden, obwohl die Erfindung auch auf TBC anwendbar ist, die durch solche Verfahren wie Plasmasprühen abgelagert wurden.
Bei TBCs, die eine säulenförmige Kornstruktur haben, erfolgt Wärmetransfer über die TBC primär durch Leitung über die individuellen säulenförmigen Körner. Erfindungsgemäß wird angenommen, dass die Beständigkeit gegenüber Wärmetransfer durch die TBC durch Mikrostrukturdefekte innerhalb der Körner erhöht wird, die durch zusammensetzungsinduzierte Defektreaktionen und prozessinduzierte Porosität erzeugt werden. So wie hier verwendet beinhalten zusammensetzungsinduzierte Defektreaktionen freie Stellen, die aus der Notwendigkeit resultieren, dass ionische Feststoffe Ladungsneutralität aufrecht erhalten, so wie es in YSZ der Fall ist, wo der Ersatz von Zirkondioxid (ZrO₂) mit Yttriumoxid (Y₂O₃) im Gitter eine freie Stelle ergibt. Diese Gitterdefekte können nicht durch Mikrostrukturmanipulation kontrolliert werden, da die Atomdefekte einzig auf Thermodynamik basieren und nicht prozessabhängig sind. Daher sind Zusammensetzungsveränderungen (ersetzende Veränderungen, welche die Defektreaktionen beeinträchtigen) der einzige Weg, um die Konzentration dieser Art von Defekt zu beeinflussen. Prozessinduzierte Porosität beinhaltet Porenbildung, die auftritt, wenn eine Komponente, die beschichtet wird, relativ zu der Ablagerungsquelle rotiert wird. Ein erstes Beispiel ist der „Sonnenaufgangs-Sonnenuntergangs"-Oberflächendampfmechanismus, der während der Rotation einer Komponente während der Ablagerung von TBC aus einer Dampfwolke, wie zum Beispiel durch PVD, auftritt, wobei das Ergebnis davon ein texturiertes Wachstum der Ablagerung ist, bei dem Poren zwischen Säulen gebildet werden, innerhalb der Säulen und zwischen sekundär gewachsenen Armen, die innerhalb der Säulen enthalten sind. Damit eine säulenförmige TBC eine niedrige thermische Leitfähigkeit über die Lebensdauer der Komponente aufrecht erhält, welche sie schützt, muss prozessinduzierte Porosität aufrecht erhalten werden, um die assoziierten Mikrostrukturdefekte zu stabilisieren. Es wurde jedoch gefunden, dass Mikrostrukturen von TBC-Materialien wie YSZ während Hochtemperaturabweichungen, wie zum Beispiel Temperaturen oberhalb von 1000°C, die in dem heißen Gaspfad einer Gasturbinenmaschine gefunden werden, sintern, sich vergröbern und einer Porenumverteilung unterliegen (so wie hier verwendet, wenn kleinere Poren sich vereinigen oder vergröbern, um größere Poren zu bilden). Als ein Ergebnis können Erhöhungen in der thermischen Leitfähigkeit, wie sie für TBC-Materialien in Gasturbinenmaschinenbauteilen bemerkt werden, Sinterung, Kornvergröberung und Porenumverteilung zugeordnet werden.
Als eine Lösung verhindert diese Erfindung TBC-Kornwachstum und Porenumverteilung mit eingeschränkten Mengen extrem feiner Abscheidungen auf Carbid- und/oder Nitridbasis, die an den Defekten und Poren der TBC-Mikrostruktur gebildet werden, sowie an den Korngrenzen der TBC. Bevorzugte Abscheidungen auf Carbid- und Nitridbasis beinhalten Metallcarbide und -nitride, Oxycarbide und Carbonitride. Die Abscheidungen haben den Zweck, die TBC-Korngrenzen festzulegen, um Sintern, Kornvergröberung und Porenumverteilung innerhalb der TBC-Mikrostruktur während Hochtemperaturabweichungen zu verhindern, mit dem Effekt, dass die Mikrostruktur und demzufolge die thermische Leitfähigkeit der TBC stabilisiert wird. Um wirksam zu sein müssen die Abscheidungen kleiner sein als die Poren sind, die man zu stabilisieren beabsichtigt, die typischerweise in der Größenordnung von etwa fünfzig Nanometern bis zu etwa ein oder zwei Mikrometern sind. Zusätzlich ist der Volumenanteil der Abscheidungen vorzugsweise in der Größenordnung von etwa 3 bis etwa 25 Volumenprozent. Die niedrigere Volumengrenze ist die Minimummenge an Abscheidung, von der angenommen wird, dass sie irgendeinen signifikanten Effekt hat, während die obere Grenze zu dem ungefähren Volumen korrespondiert, das Poren innerhalb der TBC-Mikrostruktur zugeordnet werden kann, z.B. gebildet durch prozessinduzierte Porosität.
Ein geeignetes Verfahren zur Carbidierung/Nitridierung der TBC-Mikrostruktur ist, die TBC unter Verwendung einer physikalischen Dampfablagerungstechnik in einer Atmosphäre abzulagern, die Kohlenstoff und/oder Nitridgase oder Verbindungen daraus enthält, abhängig davon, ob Abscheidungen aus Carbiden, Nitriden oder beidem gewünscht sind. In dieser Art werden die TBC und die gewünschten Abscheidungen gleichzeitig gebildet. Ein zusätzlicher und optionaler Schritt ist, die Komponente in der Gegenwart eines Gases, enthaltend Kohlenstoff und/oder Stickstoffgase oder Verbindungen davon wärmezubehandeln, um eine zusätzliche Menge an Abscheidungen auf der TBC zu bilden.
Durch ausreichende Stabilisierung der TBC-Mikrostruktur und Festlegen der Korngrenzen mit Carbid- und/oder Nitridausfällungen kann die Komponente demzufolge auf Temperaturen oberhalb von 1200°C erhitzt werden, ohne Sintern, Kornvergröberung und Porenumverteilung der Mikrostruktur zu verursachen. Als ein Ergebnis können Komponenten für dünnere TBC und/oder, wo anwendbar, geringere Kühlluftfließgeschwindigkeiten ausgelegt werden, was die Verarbeitungs- und Materialkosten reduziert und Komponentenlebensdauer und Maschineneffizienz verbessert.
Andere Aufgaben und Vorteile dieser Erfindung können aus der folgenden eingehenden Beschreibung mittels Beispiel besser gewürdigt werden, wobei:
1 eine perspektivische Ansicht einer Hochdruckturbinenschaufel ist.
2 eine Querschnittsansicht der Schaufel aus 1 entlang Linie 2-2 ist und ein thermisches Barrierebeschichtungssystem auf der Schaufel in Übereinstimmung mit einer ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform zeigt.
3 eine Querschnittsansicht eines thermischen Barrierebeschichtungssystems in Übereinstimmung mit einer zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform ist.
4 eine detaillierte Darstellung eines säulenförmigen Korns der thermischen Barrierebeschichtung aus 2 ist.
Die vorliegende Erfindung ist allgemein anwendbar auf Komponenten, die Hochtemperaturen unterzogen werden, und insbesondere auf solche Komponenten wie zum Beispiel die Hoch- und Niedrigdruckturbinendüsen und -schaufeln, Abdeckbleche, Brennkammerauskleidungen und Verdichtereisenteile von Gasturbinenmaschinen. Ein Beispiel einer Hochdruckturbinenschaufel 10 ist in 1 gezeigt. Die Schaufel 10 beinhaltet allgemein ein Flügelprofil 12, gegen welches heiße Verbrennungsgase während des Betriebs der Gasturbinenmaschine gerichtet sind, und deren Oberfläche daher heißen Verbrennungsgasen ausgesetzt ist, sowie Angriff durch Oxidation, Korrosion und Erosion. Das Flügelprofil 12 wird vor seiner feindlichen Arbeitsumgebung durch ein thermisches Barrierebeschichtungssystem (TBC) geschützt, das schematisch in 2 gezeigt ist. Das Flügelprofil 12 ist an einer Turbinenscheibe (nicht gezeigt) mit einem Schwalbenschwanz 14, der an einem Fußbereich 16 der Schaufel 10 gebildet wird, verankert. Kühldurchlässe 18 sind in dem Flügelprofil 12 vorhanden, durch welche Verdichterluft gezwungen wird, um Wärme von der Schaufel 10 her zu übertragen. Während die Vorteile dieser Erfindung mit Bezugnahme auf die in 1 gezeigte Hochdruckturbinenschaufel 10 beschrieben werden, sind die Lehren dieser Erfindung allgemein anwendbar auf jede Komponente, auf welcher eine thermische Barrierebeschichtung verwendet werden kann, um die Komponente vor einer Hochtemperaturumgebung zu schützen.
Das TBC-System 20 ist in 2 dargestellt, so dass es eine metallische Bindungsbeschichtung 24 enthält, welche die Oberfläche eines Substrats 25 überschichtet, wobei die letztere typischerweise eine Superlegierung und das Basismetall der Schaufel 10 ist. Typischerweise ist in TBC-Systemen für Komponenten von Gasturbinenmaschinen die Bindungsbeschichtung 24 eine aluminiumreiche Zusammensetzung, wie zum Beispiel eine Überzugsbeschichtung aus einer MCrAlX-Legierung, oder Diffusionsbeschichtung, wie zum Beispiel Diffusionsaluminid, oder ein Diffusionsplatinaluminid eines im Stand der Technik bekannten Typs. Aluminiumreiche Bindungsbeschichtungen dieser Art entwickeln einen Aluminiumoxid (Korund)-Belag 28, der durch Oxidation der Bindungsbeschichtung 24 gewachsen ist. Der Aluminiumoxidbelag 28 bindet chemisch eine thermisch isolierende Keramikschicht oder TBC 26 an die Bindungsbeschichtung 24 und Substrat 22. Die TBC 26 aus 2 ist so dargestellt, dass sie eine spannungstolerante Mikrostruktur aus säulenförmigen Körnern 30 hat, von denen eines in größerem Detail in 4 gezeigt ist. Wie im Stand der Technik bekannt, können solche säulenförmigen Mikrostrukturen durch Ablagerung der TBC 26 unter Verwendung einer physikalischen Dampfablagerungstechnik wie zum Beispiel EBPVD, erhalten werden. Ein bevorzugtes Material für die TBC 26 ist ein Yttriumoxid stabilisiertes Zirkonoxid (YSZ), wobei eine bevorzugte Zusammensetzung etwa 4 bis etwa 20 Gewichtsprozent Yttriumoxid ist, obwohl andere keramische Materialien verwendet werden können, so wie zum Beispiel Zirkonoxid, das vollständig durch Yttriumoxid stabilisiert ist, nicht-stabilisiertes Zirkonoxid oder Zirkonoxid, teilweise oder vollständig stabilisiert durch Magnesiumoxid, Ceroxid, Scandiumoxid oder andere Oxide. Die TBC 26 wird in einer Dicke abgelagert, die ausreichend ist, um den erforderlichen thermischen Schutz für das darunter liegende Substrat 22 und Schaufel 10 zur Verfügung zu stellen, allgemein in der Größenordnung von 75 bis 300 Mikrometern.
Während sich vieles der folgenden Diskussion auf säulenförmige TBC, derart wie in 2 und 4 gezeigt, fokussiert, wird die Erfindung auch als anwendbar auf nicht-säulenförmige TBC, die durch solche Verfahren wie Plasmasprühen, einschließlich Luftplasmasprühen (APS) abgelagert wurde, angenommen. Die Mikrostruktur dieser Art von TBC ist in 3 dargestellt, wobei die gleichen Bezugszahlen, die in 2 zur Identifizierung der säulenförmigen TBC 26 auf einem Substrat 22 und Bindungsbeschichtung 24 verwendet werden, nun verwendet werden, um ein ähnliches Substrat 22 und Bindungsbeschichtung 24 zu identifizieren, auf welchem eine nicht-säulenförmige TBC 26 durch Plasmasprühen abgelagert wurde. In dem Plasmasprühverfahren wird TBC-Material in der Form von geschmolzenen „Placken" abgelagert, was in der plasmagesprühten TBC 26 aus 3 resultiert, die eine Mikrostruktur hat, charakterisiert durch unregelmäßig abgeflachte Körner 30 und einen Grad an Inhomogenität und Porosität.
Als ein Ergebnis des Verfahrens, bei welchem die TBCs 26 aus 2 bis 4 abgelagert werden, werden die individuellen Körner 30 der TBCs 26 durch Mikrostrukturdefekte und Poren 32 innerhalb der Körner 30 und an und zwischen den Korngrenzen charakterisiert. Es wird angenommen, dass die Defekte und Poren 32 die thermische Leitfähigkeit eines TBC-Korns 30 verringern und daher der TBC 26 als Ganzes. Da Kornwachstum, Sintern und Porenumverteilung innerhalb der TBC 26 während einer Hochtemperaturabweichung dazu tendiert, die Defekte und Poren 32 zu vergröbern und/oder zu eliminieren, stellt die vorliegende Erfindung Stabilisierung der TBC-Mikrostruktur durch Bilden von feinen Abscheidungen 34 zur Verfügung, welche die Korngrenzen und Poren 32 der TBC 26 verankern und festlegen, wobei Kornwachstum und Porenumverteilung (Koaleszenz) verhindert werden, was die thermische Leitfähigkeit der TBC 26 erhöhen würde. Die Abscheidungen 34 wind vorzugsweise nichtmetallische Phasen, die das Äußere des TBC-Korns 30 wie in 3 und 4 gezeigt zieren und sind möglicherweise innerhalb der Körner 30 eingelagert. Bevorzugte Abscheidungen 34 sind Carbide, Oxicarbide, Nitride, Carbonitride oder Mischungen davon, die vorteilhafterweise Poren hinterlassen, wenn durch Oxidation Zersetzung verursacht wird, wenn sie hohen Betriebstemperaturen einer Gasturbinenmaschine ausgesetzt sind.
Um wirksam zu sein wird angenommen, dass die TBC 26 zumindest drei Volumenprozent der Abscheidungen 34 enthalten muss, ohne mit der gewünschten Spannungstoleranz der TBC 26 wechselzuwirken. Aus dem gleichen Grund müssen die Abscheidungen 34 ausreichend fein sein, um in die Poren 32 zu passen, jedoch ausreichend groß, um dazu fähig zu sein, die Korngrenzen und Poren 32 der TBC 26 festzulegen. Es wird angenommen, dass eine obere Größengrenze die Dicke von einer der individuellen Schichten des TBC-Materials ist, das sukzessiv während des Ablagerungsprozesses gebildet wird, typischerweise in der Größenordnung von 1 bis 2 Mikrometern. Im Hinblick auf das oben Gesagte ist eine geeignete Teilchengröße und Volumenanteil der Abscheidungen 34 innerhalb der TBC 26 50 bis 2000 Nanometer bzw. etwa 3 bis etwa 25 Volumenprozent. Bevorzugt enthält die TBC 26 drei bis etwa zehn Volumenprozent der Abscheidungen 34, die Durchmesser in der Größenordnung von etwa 50 bis etwa 500 Nanometer haben.
Geeignete Verfahren zur Bildung der TBCs 26 aus 2 und 3 beinhalten allgemein Ablagerung eines geeigneten TBC-Maferials in der Gegenwart eines Kohlenstoff und/oder Stickstoff enthaltenden Gases, das als die Quelle der Abscheidungen 34 auf Carbid- und/oder Nitridbasis dient. Geeignete Gase für diesen Zweck hängen von dem speziellen Beschichtungsverfahren ab, beinhalten allgemein aber Methan, Benzol und Toluol als Kohlenstoffquellen und Stickstoffgas oder Ammoniak als Stickstoffquellen. Als ein Beispiel hat in der Vergangenheit das Verfahren zur Ablagerung von TBC und anderen keramischen Beschichtungen durch EBPVD allgemein das Beladen des (der) zu beschichtenden Bestandteils (Bestandteile) in eine Beschichtungskammer, Evakuieren der Kammer und dann Wiederbefüllen der Kammer mit Sauerstoff und einem Inertgas, wie zum Beispiel Argon, um einen unteratmosphärischen Kammerdruck von 0,005 mbar oder höher zu erreichen, mit sich gebracht. Die Komponente wird in der Nähe eines Barrens aus dem gewünschten Beschichtungsmaterial abgelegt und ein Elektronenstrahl auf den Barren gerichtet, so dass die Oberfläche des Barrens schmilzt und einen Dampf des TBC-Materials erzeugt, der sich auf der Komponentenoberfläche ablagert (kondensiert).
Obwohl ähnlich in vielen anderen Gesichtspunkten, differiert das Verfahren zur Ablagerung des säulenförmigen TBC 26 aus 2 durch Einbringen eines Kohlenstoff und/oder Stickstoff enthaltenden Gases in die Beschichtungskammer während des Beschichtungsprozesses. Die Hochtemperaturverdampfung des TBC-Materials in der Gegenwart des Kohlenstoff und/oder Stickstoff enthaltenden Gases resultiert in der gleichzeitigen Bildung der Abscheidungen 34 an den Defekten und Poren 32 der TBC-Mikrostruktur während des Wachstums der individuellen Körner 30. Die Menge und, falls möglich, relativen Anteile der Abscheidungen 34 können durch Einstellen des Partialdrucks des Kohlenstoff und/oder Stickstoff enthaltenden Gases innerhalb der Beschichtungskammer kontrolliert werden. Es wird angenommen, dass geeignete Partialdrücke 0,001 bis 0,006 mbar oder 10% bis 50% der gasförmigen Atmosphäre in der Beschichtungskammer sind. Alternativ kann das TBC-Barrenmaterial so verändert werden, dass es Kohlenstoff, eine Kohlenstoff enthaltende Verbindung oder ein Carbid oder Nitrid enthält. Das Platzieren der Abscheidungen 34 innerhalb der TBC 26 kann auch durch einschränken des Einbringens des Kohlenstoff und/oder Stickstoff enthaltenden Gases auf gewisse Zeiträume des Ablagerungsprozesses kontrolliert werden. Es wird angenommen, dass ein bevorzugtes Verfahren dazu führt, dass der Fluss des Kohlenstoff und/oder Stickstoff enthaltenden Gases auf nachdem die Abscheidung initiiert wurde beschränkt wird, so dass Abscheidungen 34 nicht direkt auf die Oberfläche der zu beschichtenden Oberfläche abgelagert werden, d.h. die Bindungsbeschichtung 24, um nicht die Bildung des Aluminiumbelags 28 und die chemische Bindung zwischen dem Belag 28 und der TBC 26 zu beeinträchtigen. Zu diesem Zweck können die ersten fünf bis zehn Mikrometer der abgelagerten TBC 26 frei von Abscheidungen 34 sein.
Ein zusätzlicher und optionaler Schritt ist, die TBC-beschichtete Schaufel 10 in der Gegenwart eines Kohlenstoff enthaltenden und/oder Stickstoff enthaltenden Gases wärmezubehandeln, um eine zusätzliche Menge der Abscheidungen 34 zu bilden. Das gleiche Gas oder Gase wie jenes, das während der Ablagerung der TBC 26 verwendet wurde, kann verwendet werden, wobei minimale Wärmebehandlungstemperaturen von dem (den) verwendeten Gasen) abhängig sind und maximale Wärmebehandlungstemperaturen von dem Substratmaterial der Schaufel 10 abhängig sind. Es wird angenommen, dass eine geeignete Behandlung 900°C bis 1100°C für eine Zeitdauer von 0,5 bis 10 Stunden ist. Eine weitere optionale Wärmebehandlung ist, TBC 26 einer oxidierenden Atmosphäre bei 900°C bis 1150°C für eine Zeitdauer von 0,5 bis 2 Stunden auszusetzen, um absichtlich die Abscheidungen 34 auf Carbidbasis und/oder Nitridbasis zu zersetzen, wobei das Ergebnis davon die Bildung von zusätzlichen Poren innerhalb der TBC-Mikrostruktur und niedrigere thermische Leitfähigkeit der TBC 26 ist.
Während die Erfindung in Bezug auf eine bevorzugte Ausführungsform beschrieben wurde, ist es offensichtlich, dass andere Formen vom Fachmann angepasst werden können. Zum Beispiel können an Stelle des Ablagerns der TBC 26 durch EBPVD andere atomare und molekulare Dampfablagerungsprozesse verwendet werden, wie zum Beispiel Sputtern, Ionenplasma-Ablagerung und alle Formen von Schmelz- und Dampfablagerungsverfahren. Demzufolge ist der Umfang der Erfindung lediglich durch die folgenden Ansprüche eingeschränkt.

Claims

Eine Komponente (10), die eine thermische Barrierebeschichtung (26) auf einer Oberfläche davon hat, wobei die thermische Barrierebeschichtung (26) eine Mikrostruktur mit prozessinduzierten Defekten und Poren (32) bei und zwischen Korngrenzen der Mikrostruktur hat, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Barrierebeschichtung (26) Carbid basierende und/oder Nitrid basierende Abscheidungen (34) an den Korngrenzen und den Defekten und Poren (32) in einer Menge enthält, die ausreicht, das Sintern, die Korngrößenverbreiterung und die Porenredistribution der Mikrostruktur zu inhibieren und dadurch die Mikrostruktur thermisch zu stabilisieren, wobei die Abscheidungen ausreichend fein sind, um in die Defekte und Poren (32) zu passen.
Komponente (10) nach Anspruch 1, wobei die Mikrostruktur der thermischen Barrierebeschichtung (26) aus säulenförmigen Körnern (30) besteht, so dass die Mikrostruktur säulenförmig ist, oder aus abgeflachten Körnern (30), so dass die Mikrostruktur nicht säulenförmig und inhomogen ist.
Komponente (10) nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei die thermische Barrierebeschichtung (26) vorwiegend Yttriumoxid stabilisiertes Zirkonoxid ist.
Komponente (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Komponente (10) aus einer Superlegierung geformt ist.
Komponente (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Abscheidungen (34) ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Carbiden, Oxycarbiden und Carbonitriden.
Komponente (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Abscheidungen (34) ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Nitriden und Carbonitriden.
Komponente (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Abscheidungen (34) in der thermischen Barrierebeschichtung (26) in einer Menge von 3 bis 25 Volumenprozent vorhanden sind.
Komponente (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Teil der thermischen Barrierebeschichtung (26), welcher der Oberfläche der Komponente (10) benachbart ist, frei von den Abscheidungen (34) ist.
Komponente (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Abscheidungen (34) Durchmesser in einem Bereich von 50 bis 2.000 Nanometern haben.
Komponente (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Komponente (10) eine Gasturbinenmotorkomponente (10) ist.
Komponente (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin aufweisend eine metallische Verbundbeschichtung (24) an der Oberfläche und bedeckt durch die thermische Barrierebeschichtung (26).
Verfahren zur Bildung einer thermischen Barrierebeschichtung (26) auf einer Oberfläche einer Komponente (10), welches Verfahren die Schritte umfasst, dass man: die thermische Barrierebeschichtung (26) abscheidet, so dass sie eine Mikrostruktur mit Defekten und Poren (32) an und zwischen Korngrenzen der Mikrostruktur hat; und Carbid basierende und/oder Nitrid basierende Abscheidungen (34) an den Korngrenzen und den Defekten und Poren (32) in einer ausreichenden Menge formt, so dass das Sintern, die Korngrößenverbreiterung und die Porenredistribution der Mikrostruktur inhibiert wird und dadurch die Mikrostruktur thermisch stabilisiert wird, wobei die Abscheidungen hinreichend fein sind, um zwischen die Defekte und Poren (32) zu passen.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei die Mikrostruktur der thermischen Barrierebeschichtung (26) aus säulenförmigen Körnern (30) besteht, so dass die Mikrostruktur säulenförmig ist, oder abgeflachten Körnern (30), so dass die Mikrostruktur nicht säulenförmig und inhomogen ist.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei die thermische Barrierebeschichtung (26) überwiegend Yttriumoxid stabilisiertes Zirkonoxid ist.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei die Komponente (10) aus einer Superlegierung geformt ist.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei die Abscheidungen (34) ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Carbiden, Oxycarbiden und Carbonitriden, in der thermischen Barrierebeschichtung (26) in einer Menge von 3 bis 25 Volumenprozent vorhanden sind und Durchmesser in einem Bereich von 50 bis 2.000 Nanometern haben.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei die Abscheidungen (34) ausgewählt sind aus der Gruppe bestehenden aus Nitriden und Carbonitriden, in der thermischen Barrierebeschichtung (26) in einer Menge von 3 bis 25 Volumenprozent vorhanden sind und Durchmesser im Bereich von 50 bis 2.000 Nanometern haben.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei die Abscheide- und Bildungsschritte simultan geschehen, indem man die thermische Barrierebeschichtung (26) durch physikalische Elektronenstrahlabscheidung aus der Gasphase in Gegenwart eines Gases abscheidet, das eine ausreichende Menge eines Kohlenstoff- und/oder Stickstoffgases enthält oder Verbindungen davon, um die Abscheidungen (34) zu bilden.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei die Abscheide- und Bildungsschritte simultan geschehen, indem ein Ausgangsmaterial, das Kohlenstoff, Kohlenstoff enthaltende Verbindungen, Carbide und/oder Nitride enthält, verdampft wird.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei man mit dem Schritt des Bildens der Abscheidung (34) erst beginnt, nachdem der Schritt der Abscheidung der thermischen Barrierebeschichtung (26) initiiert worden ist, so dass ein Teil der thermischen Barrierebeschichtung (26) benachbart der Oberfläche der Komponente (10) frei von Abscheidungen (34) ist.
Verfahren nach Anspruch 12, weiter umfassend den Schritt, dass man die Komponente (10) in Gegenwart eines Gases wärmebehandelt, das eine ausreichende Menge an Kohlenstoff- und/oder Stickstoffgasen oder Verbindungen davon zur Bildung einer zusätzlichen Menge an Abscheidungen (34) enthält.
Verfahren nach Anspruch 12, weiterhin aufweisend den Schritt, dass man die Komponente (10) in Gegenwart einer oxidierenden Atmosphäre wärmebehandelt, um wenigstens einige der Abscheidungen (34) zu zersetzen und eine zusätzliche Menge von Poren (32) in der Mikrostruktur zu bilden.