DE60302396T2

DE60302396T2 - Verfharen zur Herstellung von Wärmedämmschicht mit Nitridpartikeln

Info

Publication number: DE60302396T2
Application number: DE60302396T
Authority: DE
Inventors: Sudhangshu Bose; Mark T Ucasz; Daniel A Bales; Merritt W. Wight; Steven M Burns; E. Royal Tyrus
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: RTX Corp
Priority date: 2002-08-05
Filing date: 2003-08-05
Publication date: 2006-06-22
Anticipated expiration: 2023-08-06
Also published as: JP4053477B2; US20050053799A1; US20040023020A1; DE60302396D1; US7166372B2; KR100537710B1; EP1391531B2; EP1391531A2; US6833203B2; EP1391531A3; EP1391531B1; KR20040014223A; SG120943A1; JP2004068157A; DE60302396T3

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft die Herstellung verbesserter Überzugs- oder Bondbeschichtungen, die auf Materialien aufgebracht wird, die in den heißen Abschnitten moderner Gasturbinenmaschinen verwendet werden.
Wärmebarrierenbeschichtungen an einer Substratlegierung weisen typischerweise eine thermisch isolierende Keramikschicht, die über eine metallische Bondbeschichtung abgeschieden ist, auf. Herkömmlicherweise verwenden Wärmebarrierenbeschichtungen teilweise mit Yttriumoxid stabilisiertes Zirkoniumoxid an einer Bondbeschichtung, wie z. B. MCrAIY, die durch ein Niederdruckplasmasprüh-, Luftplasma- oder physikalisches Gasphasenabscheidungsverfahren bereitgestellt wird. Eine typische Wärmebarrierenbeschichtung für eine Anwendung eines rotierenden Strömungsprofils besteht aus der metallischen Bondbeschichtung über einem Einkristallgussteil aus einer Nicket-basierten Legierung. An der Bondbeschichtung ist die thermisch isolierende Schicht typischerweise durch Elektronenstrahl-physikalische-Gasphasenabscheidung abgeschieden. Die Keramik haftet an der Bondbeschichtung durch die Bildung eines dünnen Aluminiumoxids der Größenordnung eines thermisch gewachsenen Oxids. Während des Maschinenbetriebs wächst das thermisch gewachsene Oxid. Begleitend zu dem Wachstum des Oxidmaßes steigern sich Eigenspannungen des thermisch gewachsenen Oxids und Bondbeschichtungskriechen.
Es wird daher eine Überzugsbondbeschichtung benötigt, die eine verbesserte Festigkeit, insbesondere eine verbesserte Dauerdehngrenze (creep strength) hat und die zu einer verbesserten Lebensdauer der Wärmebarrierenbeschichtung führt.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Bilden einer verbesserten Überzugsbondbeschichtung mit verbesserten Festigkeitseigenschaften bereitzustellen.
Es ist bekannt, eine MCrAIY-Beschichtung mit Nitridpartikeln bereitzustellen, z. B. aus GB-A-1439947, US-A-5078837 und EP-A-0552004.
Die vorangehende Aufgabe wird durch das Abscheidungsverfahren der vorliegenden Erfindung erreicht.
In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Abscheiden einer dispersionsverstärkten metallischen Überzugsbeschichtung an einem Substratmaterial vorgesehen, aufweisend:
Abscheiden einer MCrAIY-Beschichtung auf dem Substratmaterial; und
Bilden einzelner Nitridpartikel, die in der Beschichtung dispergiert sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Bildens der Nitridpartikel ein Einführen von Stickstoff während des Schritts des Abscheidens aufweist.
Eine Überzugsbeschichtung, die gemäß diesem Verfahren abgeschieden ist, weist daher eine abgeschiedene Schicht aus MCrAIY-Material auf, das einzelne Nitridpartikel darin enthält. Oxidpartikel können ebenso wie die Nitridpartikel gebildet werden.
Ein Substratmaterial kann eine Komponente sein, die in einem heißen Abschnitt einer Gasturbinenmaschine verwendet wird.
Vorzugsweise werden die Nitridpartikel durch ein kontrolliertes Einführen von Stickstoff gebildet.
Nachdem die Überzugs-oder Bondbeschichtung mit den Dispersionspartikeln gebildet wurde, kann eine Wärmebarrierenbeschichtung über der Überzugs-oder Bondbeschichtung gebildet werden.
Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nun lediglich beispielhaft und unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, wobei:
1A eine mikrofotographische Aufnahme des Querschnitts einer mit einer Wärmebarriere beschichteten Laufschaufel, die eine Bondbeschichtung mit einer feinen Dispersion aus Aluminiumnitrid hat, ist;
1B eine mikrofotographische Aufnahme des Querschnitts einer mit einer Wärmebarriere beschichteten Laufschaufel, die eine Bondbeschichtung ohne eine feine Dispersion aus Aluminiumnitrid hat, ist; und
2 ein Graph ist, der eine Absplitterungslebensdauer einer Wärmebarrierenbeschichtung in Zyklen zeigt.
In Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird eine Überzugs-oder Bondbeschichtung mit einem erwünschtem Satz von Festigkeitseigenschaften gebildet durch Bereitstellen eines Substratmaterials, Abscheiden einer Schicht aus MCrAIY-Typ-Beschichtungsmaterial an dem Substratmaterial und Bilden einer Vielzahl von einzelnen Nitridpartikeln in der Beschichtung. Eine Beschichtung, wie sie durch das Verfahren der vorliegenden Erfindung erzeugt wird, kann auf jede Substratlegierung angewendet werden, die verwendet wird, um Bauteile zu bilden, die in dem heißen Abschnitt (Turbinen- und Brennkammerabschnitt) einer modernen Gasturbinenmaschine verwendet werden, wie z. B. Nickel-oder Kobalt-basierte Einkristall-Legierungen. Insbesondere ist eine solche Beschichtung verwendbar, wenn sie auf Bauteile, wie z. B. Laufschaufeln und Leitschaufeln, angewendet wird.
Die Überzugs-oder Bondbeschichtungen haben verbesserte Festigkeitseigenschaften, insbesondere eine verbesserte Dauerdehngrenze, durch die Aufnahme einer Dispersion aus Partikeln in der Überzugs-oder Bondbeschichtung. Die Partikel können Nitridpartikel oder eine Kombination aus Nitrid- und Oxidpartikeln sein.
Das Überzugsbeschichtungsmaterial, das abgeschieden werden soll, kann jede geeignete MCrAIY-Beschichtung enthalten, wobei M ausgewählt ist aus der Gruppe, die aus Nickel, Kobalt, Eisen und Mischungen davon besteht. Eine besonders nützliche MCrAIY-Typ-Beschichtung, um an dem Substratmaterial, das für ein Gasturbinenmaschinenbauteil verwendet wird, abgeschieden zu werden, ist eine NiCoCrAIY-Beschichtung. Eine beispielhafte NiCoCrAIY-Beschichtung, die aufgebracht werden kann, hat eine Zusammensetzung, die zwischen 20 und 24 Gew.-% Kobalt, zwischen 15 und 19 Gew.-% Chrom, zwischen 10 und 15 Gew.-% Aluminium, zwischen 0,1 und 0,4 Gew.-% Hafnium, zwischen 0,4 und 1,25 Gew.-% Yttrium und den Rest Nickel enthält.
Die MCrAIY-Beschichtung kann abgeschieden werden mittels entweder einem physikalischen Gasphasenabscheidungsprozess oder einem Niederdruckplasmasprühprozess. Wenn ein physikalischer Gasphasenabscheidungsprozess, wie z. B. eine Kathodenlichtbogen, verwendet wird, wird der Prozess in einer Kammer ausgeführt, die das Substratmaterial und die abzuscheidenden Materialien enthält bei einer Temperatur höher als die Umgebungstemperatur (68°F, 20°C), vorzugsweise 300°F (149°C) bis 1000°F (538°C), für eine Zeitdauer von mehr als 2 min, vorzugsweise im Bereich von 30 min bis 60 min, bei einem Druck größer als 0,005 Torr (0,67Pa), vorzugsweise zwischen 0,01 und 0,02 Torr (1,3 bis 2,7Pa). Der Prozess kann in einer Argon-enthaltenden Atmosphäre ausgeführt werden, wie z. B. einer reinen Argon-Atmosphäre oder einer Argon-und-Helium-Atmosphäre. Wenn ein Niederdruckplasmasprühprozess verwendet wird, werden das Substrat und die Materialien, die verwendet werden, um die Beschichtung zu bilden, wiederum in einer Kammer angeordnet und der Prozess wird bei einer Temperatur vorzugsweise im Bereich von 1600 bis 1900°F (871 bis 1038°C) für eine Zeit in der Größenordnung von 5 min bei einem Druck typischerweise im Bereich von 30 bis 40 Torr (4000 bis 5333Pa) Vakuum ausgeführt.
Um die MCrAIY-Beschichtung zu verstärken, wird eine Vielzahl diskreter Nitridpartikel in die Beschichtung eingebaut. Die Nitridpartikel werden durch Einführen von Stickstoff in die Kammer gebildet. Für eine Kammer mit einem Volumen von 350 Litern kann Stickstoff bei einer Flussrate größer als zwei Mikron pro Stunde eingeführt werden, vorzugsweise 5,0 bis 100 Mikron pro Stunde. Die auf diese Weise während des Beschichtungsvorgangs gebildeten Nitridpartikel sind in einem Volumenanteil von mehr als 0,1 bis 15,0%, vorzugsweise von mehr als 0,5 bis 15,0% vorhanden und haben eine Größe im Bereich von 0,1 bis 10,0 Mikron, vorzugsweise von 0,3 bis 0,5 Mikron. Die Nitridpartikel sind typischerweise gleichmäßig über die Beschichtung hin dispergiert, können jedoch auch dazu angepasst sein, einen Gradienten oder eine andere anwendungsspezifische Mikrostruktur aufzuweisen.
Wenn erwünscht, kann die MCrAIY-Beschichtung durch Aufnahme von Oxidpartikeln wie auch von Nitridpartikeln in die Beschichtung gestärkt werden. Die Kombination von Nitrid-und Oxidpartikeln kann durch Einführen eines Gases, das Sauerstoff und Stickstoff enthält, wie z. B. Luft, in die Kammer gebildet werden. Wenn Nitrid-und Oxidpartikel gebildet werden, sind sie typischerweise gleichmäßig über die Beschichtung hin dispergiert, können jedoch auch dazu angepasst sein, einen Gradienten oder eine andere anwendungsspezifische Mikrostruktur aufzuweisen. Die Nitrid-und Oxidpartikel haben jeweils eine Größe im Bereich von 0,1 bis 10,0 Mikron, vorzugsweise von 0,3 bis 0,5 Mikron. Die Nitrid-und Oxidpartikel sind in einem Volumenanteil von mehr als 0,1 bis 15,0%, vorzugsweise von mehr als 0,5 bis 15,0% vorhanden.
Sobald die Überzugsbeschichtung abgeschieden wurde, kann die Beschichtung oberflächenendbehandelt oder kugelgestrahlt werden, um die Überzugsbondbeschichtung zu glätten. Die Überzugsbondbeschichtung ist, so wie sie abgeschieden ist, mehr als 90% dicht. Jedes im Stand der Technik bekannte, geeignete Mittel kann verwendet werden, um den Schritt der Oberflächen-Endbearbeitung oder des Kugelstrahlens durchzuführen. Vor der Oberflächen-Endbearbeitung oder dem Kugelstrahlen kann die Beschichtung mit den dispergierten Nitridpartikeln oder den dispergierten Nitrid-und Oxidpartikeln einer Wärmebehandlung bei einer Temperatur von 1900°F (1038°C) bis 2100°F (1149°C) für eine Zeit im Bereich von 1 bis 4 h unterzogen werden.
Nachdem die Überzugsbeschichtung ausgebildet ist, kann eine keramische Wärmebarrierenbeschichtung über die Überzugsbeschichtung abgeschieden werden. Die keramische Wärmebarrierenbeschichtung kann jede im Stand der Technik bekannte, geeignete Wärmebarrierenbeschichtung sein und kann durch jede im Stand der Technik bekannte, geeignete Technik abgeschieden werden.
Es soll angemerkt werden, dass die Dispersionen durch mechanische oder chemische Mittel ebenso wie durch die oben beschriebenen Techniken erreicht werden können.
Das nachfolgende Beispiel wurde durchgeführt, um die hierin beschriebene Erfindung zu demonstrieren. Einige Hochdruckturbinenlaufschaufeln erster Stufe wurden mit einer herkömmlichen Bondbeschichtung wie auch mit einer dispersionsverstärkten Bondbeschichtung, die mittels eines Kathodenlichtbogenprozesses gebildet wurde, beschichtet. Die Turbinenlaufschaufeln wurden aus einer Nickel-basierten Legierung gebildet mit einer Zusammensetzung, die 5,0 Gew.-% Chrom, 10 Gew.-% Kobalt, 5,65 Gew.-% Aluminium, 1,9 Gew.-% Molybdän, 5,9 Gew.-% Wolfram, 0,10 Gew.-% Hafnium, 8,7 Gew.-% Tantal und 3,0 Gew.-% Rhenium und dem Rest Nickel enthält. Eine Beschichtung wurde aufgebracht mit einer Zusammensetzung, die 15 bis 19 Gew.-% Chrom, 20 bis 24 Gew.-% Kobalt, 11,8 bis 13,2 Gew.-% Aluminium, 0,1 bis 0,4 Gew.-% Hafnium, 0,4 bis 0,8 Gew.-% Yttrium und 0,2 bis 0,6 Gew.-% Silicium enthält. Der Beschichtungsprozess wurde in einer Kammer bei einer Atmosphäre unterhalb von 1000°F (538°C) für 65 min bei einem Druck von 0,01 bis 0.02 Torr (1,3 bis 2,7 Pa) durchgeführt. Während des Bondbeschichtungsprozesses wurde Luft bei einer Rate von mehr als 2,0 Mikron pro Stunde für eine Kammer mit einem Volumen von 350 Litern eingeführt. Nachdem der Prozess zum Bilden der Beschichtung mit den dispergierten Nitridpartikeln abgeschlossen war, wurden die Laufschaufeln oberflächenendbehandelt und eine keramische, thermisch isolierende Schicht wurde über der Bondbeschichtung gebildet. Diese Schicht wurde durch Elektronenstrahlphysikalische-Gasphasenabscheidung abgeschieden. Die Beschichtung war eine mit 7 Gew.-% Yttriumoxid teilweise stabilisierte Zirkoniumoxid-Beschichtung.
Die Mikrostruktur der beschichteten Laufschaufeln mit der dispersionsverstärkten Bondbeschichtung, die durch das oben beschriebene Verfahren erzeugt wurde, ist in 1A gezeigt und kann mit einer Basislinie ohne die Dispersion in der Bondbeschichtung, die in 1B gezeigt ist, verglichen werden. Eine Analyse der Zusammensetzung der Bondbeschichtung zeigt, dass die Dispersionen hauptsächlich Aluminiumnitride sind. Härtemessungen geben an, dass tatsächlich eine Verstärkung aufgetreten ist. Die beschichteten Laufschaufeln wurden zyklischen Brennerprüfstandstests unterzogen, um Maschinenbelastungen zu simulieren. Die Ergebnisse des zyklischen Brennerprüfstandstests (6 min in der Flamme, 3 min erzwungene Luftabkühlung), die mit einer maximalen Metalltemperatur von 2100°F (1149°C) durchgeführt wurden, zeigen, dass die Wärmebarrierenbeschichtung mit der Dispersionsbondbeschichtung eine Absplitterlebensdauerverbesserung von etwa 3,6X gegenüber derjenigen ohne die Dispersion hat. Zu sehen ist dies in 2, in der der Balken 10 die Absplitterlebensdauer der Wärmebarrierenbeschichtung mit der Bondbeschichtung ohne Dispersion zeigt und in der der Balken 12 die Absplitterlebensdauer der Wärmebarrierenbeschichtung mit der Dispersionbondbeschichtung der vorliegenden Erfindung zeigt.
Obwohl die vorliegende Erfindung im Zusammenhang mit deren spezifischen Ausführungsformen beschrieben wurde, werden andere Alternativen, Modifikationen und Variationen den mit dem Stand der Technik vertrauten Fachleuten, nachdem sie die vorangehende Beschreibung gelesen haben, ersichtlich. Demgemäß ist es beabsichtigt, diese Alternativen, Modifikationen und Variationen, die in den weiten Umfang der beigefügten Ansprüche fallen, zu umfassen.

Claims

Verfahren zum Abscheiden einer dispersionsverstärkten, metallischen Überzugsbeschichtung an einem Substratmaterial, aufweisend: Abscheiden einer MCrAIY-Beschichtung auf dem Substratmaterial; und Bilden einzelner Nitridpartikel, die in der Beschichtung dispergiert sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Bildens der Nitridpartikel ein Einführen von Stickstoff während des Abscheidungsschritts aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Einführens von Gas ein Einführen von Stickstoff bei einer Flussrate größer als 2,0 Mikron pro Stunde, vorzugsweise bei einer Flussrate im Bereich von 5,0 Mikron pro Stunde bis 100 Mikron pro Stunde aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, ferner aufweisend das Bilden von Oxidpartikeln sowie von Nitridpartikeln.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Schritte des Bildens der Nitridpartikel und Oxidpartikel ein Einführen von Stickstoff und Sauerstoff in eine Kammer, in der die Schritte des Bildens auftreten, aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei der Schritt des Einführens von Gas ein Einführen von Luft in die Kammer aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Schritt des Abscheidens ein Abscheiden der MCrAIY-Beschichtung aufweist mittels eines Kathodenlichtbogenprozesses, der bei einer Temperatur größer als die Umgebungstemperatur für eine Zeit größer als 2 min und einem Druck größer als 0,005 Torr (0,67 Pa) in einer Argon-enthaltenden Atmosphäre ausgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Temperatur im Bereich von 300°F (149°C) bis 1000°F (538°C) für eine Zeit im Bereich von 30 bis 60 min bei einem Druck im Bereich von 0,01 bis 0,02 Torr (1,3 bis 2,7 Pa) ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Schritt des Abscheidens ein Abscheiden der MCrAIY-Beschichtung aufweist mittels eines Niederdruckplasmasprühverfahrens, das bei einer Temperatur im Bereich von 1600 bis 1900°F (871 bis 1038°C) für eine Zeit in der Größenordnung von 5 min bei einem Druck von 30 bis 40 Torr (4000 bis 5333 Pa) durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, ferner aufweisend eine Oberflächenendbearbeitung der Beschichtung, um die Beschichtung zu glätten, und ein Unterziehen der Beschichtung einer Wärmebehandlung bei einer Temperatur im Bereich von 1900°F (1038°C) bis 2100°F (1149°C) für eine Zeit im Bereich von 1 bis 4 Stunden vor dem Schritt des Oberflächenendbehandelns.