DE69612828T3

DE69612828T3 - Gegenstand aus einer Superlegierung auf Nickelbasis mit optimierter Platin-Alumid-Beschichtung und Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE69612828T3
Application number: DE69612828T
Authority: DE
Inventors: Jon Conrad Milford Schaeffer
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1995-12-22
Filing date: 1996-12-10
Publication date: 2007-03-01
Anticipated expiration: 2016-12-11
Also published as: EP0784104B1; US20070048538A1; US20080299310A1; US20010053424A1; DE69612828T2; JPH09291379A; DE69612828D1; US20100068558A1; EP0784104A1; US20070048450A1; US7083827B2; US20040025978A1; US20070082221A1; US20020146587A1; US6066405A; EP0784104B2; JP3917225B2; US20040197597A1

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf Superlegierungen auf Nickelbasis, die bei Anwendungen hoher Temperatur eingesetzt werden, und mehr im Besonderen auf Gegenstände aus solchen Mate-rialien, die einen optimierten Platin-Aluminid-Schutzüberzug aufweisen.
Bei einer Flugzeug-Gasturbine wird Luft in das Vordere des Triebwerkes gesaugt, durch einen auf einem Schaft montierten Kompressor komprimiert und mit Brennstoff vermischt. Die Mischung wird verbrannt und die resultierenden heißen Abgase werden durch eine Turbine geleitet, die auf dem gleichen Schaft montiert ist. Die Gasströmung dreht die Turbine, die ihrerseits den Schaft dreht und Energie an den Kompressor liefert. Die heißen Abgase strömen aus dem rückwärtigen Teil des Triebwerkes aus und treiben dieses und das Flugzeug nach vorn.
Je heißer die Abgase, um so wirksamer ist der Betrieb des Strahltriebwerkes. Es gibt somit einen Anreiz, die Temperatur des Abgases zu erhöhen. Die maximale Temperatur der Abgase ist jedoch normalerweise durch die Materialien begrenzt, die zum Herstellen der Turbinen-Lauf- und -Leitschaufeln benutzt werden. In derzeitigen Triebwerken sind die Turbinen-Laufschaufeln und -Leitschaufeln aus Superlegierungen auf Nickelbasis hergestellt, und sie können bei Temperaturen bis zu 1.038–1.149°C (1.900–2.100°F) betrieben werden.
Es wurden viele Arten des Herangehens benutzt, um die Betriebstemperatur der Turbinen-Laufschaufeln und -Leitschaufeln zu erhöhen. Die Zusammensetzungen und die Verarbeitung der Materialien selbst wurden verbessert. Es wurden physikalische Kühltechniken benutzt. Bei einem weit benutzten Herangehen werden innere Kühlkanäle innerhalb der Komponenten geschaffen und Kühlluft wird während des Betriebes des Triebwerkes durch die Kanäle gedrückt.
Bei einem anderen Herangehen wird ein metallischer Schutzüberzug oder ein keramisch/-metallisches thermisches Sperrüberzugssystem auf die Turbinen-Laufschaufel- oder -Leitschaufel-Komponente, die als ein Substrat wirkt, aufgebracht. Der metallische Schutzüberzug ist brauchbar bei Anwendungen in einem Zwischentemperaturbereich. Eine bekannte Art metallischen Schutzüberzuges ist ein Platin-Aluminid-Überzug, der durch Abscheiden von Platin und Aluminium auf der Oberfläche des Substrates und dann Diffundieren dieser Bestandteile in die Oberfläche des Substrates gebildet wird.
Das thermische Sperrüberzugssystem ist brauchbar bei Hochtemperatur-Anwendungen. Das thermische Sperrüberzugssystem schließt einen keramischen thermischen Sperrüberzug ein, der die Komponente gegnüber dem heißen Abgas isoliert, ein heißeres Abgas gestattet, als ansonsten mit dem speziellen Material und dem Herstellungsverfahren der Komponete möglich wäre. Keramische thermische Sperrüberzüge haften gewöhnlich nicht gut direkt an den Superlegierungen, die in den Substraten benutzt werden. Deshalb wird eine zusätzliche Metallschicht, Bindeüberzug genannt, zwischen dem Substrat und dem thermischen Sperrüberzug angeordnet. Der Bindeüberzug besteht gewöhnlich aus einer nickelhaltigen Decklegierung, wie NiCrAlY oder NiCoCrAlY, einer Zusammensetzung, die gegen Umweltbeschädigung beständiger ist als das Substrat. Der Bindeüberzug kann auch aus einem Diffusions-Nickelaluminid oder Platinaluminid hergestellt sein, deren Oberfläche sich zu einer schützenden Aluminiumoxidhaut oxidiert.
Während mit solchen metallischen Schutzüberzügen oder keramisch/metallischen thermischen Sperrüberzugssystemen überzogene Superlegierungen eine beträchtlich verbesserte Leistungsfähigkeit gegenüber nicht überzogenen Materialien ergeben, sind sie doch noch immer verbesserungsfähig hinsichtlich der Leistungsfähigkeit bei erhöhter Temperatur und der Umweltbeständigkeit. Es besteht daher weiter ein Bedarf an verbeserten metallischen Schutzüberzügen und Bindeüberzügen zum Schützen von Superlegierungen auf Nickelbasis bei Anwendungen erhöhter Temperatur. Dieser Bedarf wurde mit der Entwicklung der neuesten Generation von Superlegierungen auf Nickelbasis deutlicher, da die älteren Schutzüberzüge bei diesen Materialien häufig nicht befriedigend wirken. Die vorliegende Erfindung erfüllt diesen Bedarf und schafft weitere, damit zusammenhängende Vorteile.
Die EP-A-733 723 (die Stand der Technik unter Artikel 54(3) EPC ist) offenbart ein Superlegierungs-Substrat auf Nickel- oder Cobaltbasis mit einer mittleren Konzentration von 8 bis 35 Gew.-% Platin und 18 bis 28 Gew.-% Aluminium, die darauf abgeschieden sind.
WO 95/23243 offenbart einen Platin-Aluminium-Überzug, bei dem das Platin vorher in ein Substrat auf Nickelbasis diffundiert ist, bevor die Diffusion von Aluminium und Silicium stattfindet. Es sind keine Zusammensetzungen für den Überzug angegeben.
Die vorliegende Erfindung schafft einen metallischen Decküberzug für Superlegierungen auf Nickelbasis. Der Decküberzug ist ein Platin-Aluminid, das brauchbar ist als metallischer Schutzüberzug oder als ein Bindeüberzug für das thermische Sperrüberzugssystem. Der Decküberzug liegt in Form eines Oberflächenbereiches vor, der gut an das Substrat gebunden ist. Der Platin-Aluminid-Überzug hat eine gute Stabilität bei erhöhter Temperatur und Beständigkeit gegen Abbau durch die Umgebung in typischen Gasturbinen-Anwendungen.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Gegenstand mit einem Platin-Aluminid-Oberflächenbereich gemäß Anspruch 1 geschaffen. Vorzugsweise hat der Oberflächenbereich einen integrierten Aluminium-Gehalt von 21 bis 23 Gew.-% und einen integrierten Platin-Gehalt von 30 bis 45 Gew.-%. Alle hier für die Oberflächen-Regionen genannten Zusammensetzungen wurden durch eine Integrations-Technik bestimmt, die im Folgenden näher erläutert wird, und die wirksam eine gemittelte Zusammensetzung der Oberflächenregion bestimmt. Wahlweise liegt eine Keramikschicht auf dem Oberflächenbereich, um ein thermisches Sperrüberzugssystem herzustellen.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird gemäß Anspruch 6 ein Verfahren zum Herstellen eines Gegenstandes geschaffen, der einen Platin-Aluminid-Oberflächenbereich aufweist. Gegebenenfalls können das Substrat und der Oberflächenbereich geglüht werden und/oder eine Keramikschicht kann abgeschieden werden, die über dem Oberflächenbereich liegt.
Durch Platin-Aluminid geschützte Oberflächenbereiche waren bereits bekannt, doch schafft das vorliegende Herangehen einen optimierten Platin-Aluminid-Überzug, dessen Leistungsfähigkeit bei erhöhter Temperatur und Beständigkeit gegen die Umgebung verbessert sind, verglichen mit früheren Platin-Aluminid-Überzügen. Darüber hinaus kann der Platin-Aluminid-Überzug der Erfindung eingesetzt werden, ohne dass während des Gebrauches ein zu starkes Überzugswachstum, ein Aufrauhen der Oberfläche, eine Erzeugung unerwünschter Phasen während des Gebrauches oder verringerte Spannungsbruch-Eigenschaften auftreten.
Die Erfindung wird nun detaillierter beispielhaft unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben, in der zeigen:
1 eine perspektivische Ansicht einer Gasturbinen-Komponente,
2A eine schematische Schnittansicht durch die Komponente der 1 entlang der Linie 2A-2A, die eine Ausführungsform der Erfindung zeigt,
2B eine schematische Schnittansicht durch die Komponente der 1 entlang der Linie 2-2, die eine zweite Ausführungsform der Erfindung zeigt,
3 ein Blockfließdiagramm für ein Verfahren zum Aufbringen eines Schutzüberzuges auf ein Substrat und
4 eine graphische Darstellung, die die Leistungsfähigkeit des Überzuges als eine Funktion der Zusammensetzung des Überzuges zeigt.
1 zeigt eine Komponente eines Gasturbinen-Triebwerkes, wie eine Turbinen-Lauf-schaufel oder -Leitschaufel, die in diesem Fall als eine Turbinen-Laufschaufel 20 abgebildet ist. Die Turbinen-Laufschaufel 20 schließt einen Flügel 22 ein, gegen den die Strömung des Abgases gerichtet ist. Die Turbinen-Laufschaufel 20 ist auf einer (nicht gezeigten) Turbinenscheibe mittels eines Schwalbenschwanzes 24 montiert, der sich von dem Flügel 22 aus nach unten erstreckt und im Eingriff mit einem Schlitz der Turbinenscheibe steht. Eine Plattform 26 erstreckt sich längs außerhalb des Bereiches, in dem der Flügel 22 mit dem Schwalbenschwanz 24 verbunden ist. Eine Anzahl von Kühlkanälen erstreckt sich gegebenenfalls durch das Innere des Flügels 22 und endet in Öffnungen 28 in der Oberfläche des Flügels 22. Eine Strömung von Kühlluft ist durch die Kühlkanäle gerichtet, um die Temperatur des Flügels 22 zu verringern.
Der Flügel 22 der Turbinen-Laufschaufel 20 ist durch einen Schutzüberzug 30 geschützt, von dem zwei Ausführungsformen in den 2A und 2B veranschaulicht sind. In jedem Falle ist der Schutzüberzug 30 an einer Oberfläche 31 der Turbinen-Laufschaufel 20 vorhanden, die als ein Substrat 32 für den Schutzüberzug 30 dient.
Bei der Ausführungsform von 2A umfasst der Schutzüberzug 30 eine Platin-Aluminidregion 34, die an der Oberfläche 31 des Substrates 32 angeordnet ist. Bei der Ausführungsform von 2B umfasst der Schutzüberzug 30 eine Platin-Aluminidregion 36 an der Oberfläche 31 des Substrates 32 und eine keramische thermische Sperrschicht 38, die über der Platin-Aluminidregion 36 liegt. Der in 2B gezeigte Schutzüberzug 30 schließt die metallische Region 36 (in diesem Zusammenhang als Bindeüberzug bezeichnet) und die Keramikschicht 38 ein und wird manchmal als thermisches Sperrüberzugssystem bezeichnet. Die beiden Platin-Aluminidregionen 34 und 36 können von gleichen oder verschiedenen Strukturen und Zusammensetzungen innerhalb des Umfangs der Erfindung sein. Die Platin-Aluminidregionen 34 und 36 haben vorzugsweise eine Dicke von 0,038 mm (0,0015 Zoll) bis 0,102 mm (0,004 Zoll), am bevorzugtesten sind sie 0,0635 mm (0,0025 Zoll) dick.
3 ist ein Block-Fließdiagramm eines bevorzugten Verfahrens zum Herstellen der Schutzüberzüge der 2A und 2B. In einer ersten Stufe, 50, wird das Substrat 32 selbst geschaffen. Das Substrat ist eine Superlegierung auf Nickelbasis, vorzugsweise einer fortgeschrittenen zweiten oder dritten Generation, eine einkristalline Superlegierung auf Nickelbasis, die beträchtliche Mengen sowohl an Aluminium als auch Rhenium enthält. Das Substrat ist im Wesentlichen einkristallin, obwohl geringe Mengen polykristallinen Materials toleriert werden. Der Aluminium-Gehalt beträgt von 5 bis 16 Gew.-%, am bevorzugtesten 6 bis 7 Gew.-%, in solchen fortgeschrittenen Superlegierungen. Mindestens 5 Gew.-% Aluminium sind vorhanden, um einen genügend großen Volumenanteil der verfestigenden γ'-Phase zu erzeugen. Der Rhenium-Gehalt beträgt von 1 bis 8 Gew.-%, am bevorzugtesten von 2,5 bis 6 Gew.-%, in solchen fortgeschrittenen Superlegierungen. Ein bevorzugtestes Substrat ist ein aus der Legierung RN5 hergestelltes einkristallines Substrat mit einer Zusammensetzung in Gew.-% von 7,5% Cobalt, 7% Chrom, 6,2% Aluminium, 6,5% Tantal, 5% Wolfram, 1,5% Molybdän, 3% Rhenium, Rest Nickel. Gegebenenfalls kann etwas Yttrium und/oder Hafnium vorhanden sein. Das Herangehen nach der Erfindung ist auch ausführbar mit anderen fortgeschrittenen Legierungs-Substraten, wie Legierung RN6 mit einer Zusammensetzung in Gew.-% von 12,5% Cobalt, 4,5% Chrom, 6% Aluminium, 7,5% Tantal, 5,8% Wolfram, 1,1% Molybdän, 6,4% Rhenium, 0,15% Hafnium, Rest Nickel, und Legierung R142, mit einer Zusammensetzung in Gew.-%, von 12% Cobalt, 6,8% Chrom, 6,2% Aluminium, 6,4% Tantal, 4,9% Wolfram, 1,5% Molybdän, 2,8% Rhenium, 1,5% Hafnium, Rest Nickel.
Der optimierte Platin-Aluminid-Überzug der Erfindung zeigt eine ausgezeichnete Leistungsfähigkeit auf einer weiten Vielfalt von Substrat-Materialien, doch ist diese verbesserte Leistungsfähigkeit besonders wichtig für diese fortgeschrittenen einkristallinen Legierungs-Substrate auf Nickelbasis. Diese fortgeschrittenen einkristallinen Legierungs-Substrate haben höhere Aluminium-Gehalte als frühere Superlegierungen auf Nickelbasis, was zu einer größeren Menge an γ-Phase von etwa 60–70 Vol.-% führt, als bei früheren Superlegierungen auf Nickelbasis. Sie werden bei höheren Betriebs-Temperaturen, über 1093,3°C (2000°F), als frühere Superlegierungs-Substrate auf Nickelbasis eingesetzt, und Diffusionseffekte sind entsprechend wichtiger. Der Platin-Aluminid-Überzug der Erfindung zeigt kein exzessives Überzugs-Wachstum, Oberflächen-Aufrauhen, keine Produktion unerwünschter Phasen während des Einsatzes oder verringerte Spannungsbruch-Eigenschaften während des Einsatzes bei solchen hohen Temperaturen. Die Kombination eines solchen fortgeschrittenen einkristallinen Legierungs-Substrates auf Nickelbasis und des als nächstes beschriebenen Platin-Aluminid-Überzuges ist die bevorzugteste Ausführungsform der Erfindung. Der Platin-Aluminid-Überzug ist nicht auf die Verwendung auf solchen fortgeschrittenen einkristallinen Superlegierungen beschränkt.
Eine Platinschicht wird auf der Oberfläche des Substrates 32 abgeschieden, wie in Stufe 52 gezeigt. Die Platinschicht wird vorzugsweise durch Elektroplattieren abgeschieden, doch können auch andere ausführbare Techniken, wie Zerstäuben und chemische Dampfabscheidung aus metallorganischen Verbindungen benutzt werden. Die Platinschicht hat erwünschtermaßen eine Dicke von 0,0076 mm (0,0003 Zoll).
Platin aus der Platinschicht wird in die Oberfläche des Substrates durch Erhitzen des Substrates und der abgeschiedenen Platinschicht diffundiert, Stufe 54. Die bevorzugte Diffusions-Behandlung findet 2 Stunden lang bei 982–1093,3°C (1.800–2.000°F statt. Die Stufen 52 und 54 können gleichzeitig oder nacheinander ausgeführt werden.
Es wird nach irgendeiner ausführbaren Technik eine Aluminiumquelle geschaffen, Stufe 56. Vorzugsweise wird ein Wasserstoff und Halogenidgas mit Aluminiummetall oder einer Aluminiumlegierung in Berührung gebracht, um das entsprechende Aluminiumhalogenid-Gas zu bilden. Das Aluminiumhalogenid-Gas wird mit der zuvor abgeschiedenen Platinschicht, die auf dem Substrat liegt, in Berührung gebracht und eine Aluminiumschicht über der Platinschicht abgeschieden. Die Reaktionen finden bei erhöhter Temperatur statt, so dass zur Oberfläche übertragene Aluminiumatome in die Oberfläche der an Platin angereicherten Region und des Substrates diffundieren, Stufe 58. Die Stufen 56 und 58 werden daher typischerweise gleichzeitig ausgeführt.
Die Temperatur der Behandlung, die Zusammensetzung der Quelle, die Expositionszeit und die Menge des Aluminiumquellen-Gases bestimmen die Menge des Aluminiums, die zum Substrat übertragen und in das Substrat diffundiert wird. Die Aktivität des Aluminiums wird mit einer rei-nen Nickelfolie von 0,025 mm Dicke bestimmt, die im Aluminierungs-Reaktor an den gleichen Stel-len angeordnet wird, wo Substrate angeordnet werden sollen. Dadurch werden Komplikationen vermieden, die mit der Messung von Aluminium in Multikomponenten-Systemen verbunden sind. Die Folie wird im Reaktor behandelt, so dass sie sich mit Aluminium sättigt. Der Aluminium-Gehalt der Folie wird durch Säureauflösung und Analyse mit einem geeigneten Verfahren, wie induktiv gekoppelter Plasma-Emissionsspektroskopie, gemessen. Aus diesen Messungen wurde die Verarbeitung bei der Aluminierungs-Behandlung bestimmt. Die bevorzugte Behandlung erzeugt eine Aktivität zwischen 40 und 60 Atom-% in einer reinen Nickelfolie. Bei einem bevorzugten Herangehen werden die Aluminierungs- und Diffusions-Behandlung bei einer Temperatur von 1051,7–1121°C (1.925–2.050°F) 4–16 Stunden lang ausgeführt.
Nach Abschluss der Diffusions-Behandlung variieren die chemischen Zusammensetzungen der Platin-Aluminid-Region 34, 36 und des Abschnittes 36 des Substrates 32 unmittelbar benachbart zur Platin-Aluminium-Region 34, als Funktion der Tiefe unterhalb der Oberfläche. Der Aluminium-Gehalt und der Platin-Gehalt der Platin-Aluminium-Region 34, 36 ist benachbart der Oberfläche 31 relativ hoch und nimmt mit zunehmender Tiefe in die Region 34, 36 und das Substrat 32 ab. Der Rest der Zusammensetzung, die insgesamt 100 Gew.-% ausmacht, wird von Komponenten der Massenzusammensetzung der Substrat-Legierung gebildet, und er ist hoch in einer großen Tiefe unterhalb der Oberfläche 31 und nimmt unmittelbar benachbart der Oberfläche 31 zu einem geringeren Wert ab.
Wegen dieser Variation der Zusammensetzung mit der Tiefe werden die Zusammensetzungen der Oberflächenregionen nach einem Integrations-Verfahren gemessen. Das überzogene Substrat wird senkrecht zur Oberfläche geschnitten. Die Gew.-% an Aluminium, Platin und anderen interessierenden Elementen werden als eine Funktion des Abstandes von der Oberfläche nach irgendeiner Technik bestimmt, die lokale Zusammensetzungen ergibt, wie einer Elektronen-Mikrosonde mit einem dispersiven Wellenlängen-Spektrometer oder einem dispersiven Energie-Spektrometer (in Verbindung mit geeigneten Kalibrierungs-Standards). Die Messungen werden mit einem Elektronenraster vorgenommen, das ein mindestens 5 μm × 5 μm großes Fenster erzeugt. Solche Messtechniken der Zusammensetzung sind im Stande der Technik bekannt. Zusammensetzungs-Messungen werden an Stellen vorgenommen, die innerhalb von 2–3 μm von der äußeren exponierten Oberfläche beginnen und dann in Stufen von 5 μm oder weniger von der vorherigen Messung. Der Gehalt des interessierenden Elementes in Gew.-% wird als eine Funktion des Abstandes von der äußeren exponierten Oberfläche bis zu einer maximalen Distanz aufgetragen, die als die obere Grenze der Integration dient. Die obere Grenze der Integration ist als der Abstand ausgewählt, bei dem die Gew.-% an Aluminium von den höheren Werten näher an der Oberfläche auf 18% abgenommen haben, weil unter 18% Aluminium das β-NiAl nicht stabil ist. Die Fläche unter der Kurve wird nach irgendeiner geeigneten Technik, wie Trapez-Annäherung, bestimmt und durch den Wert der oberen Grenze der Integration dividiert.
Es wurde ein ausgedehntes Testen unternommen, wie es im Folgenden detaillierter beschrieben wird, um die Charakteristika, Eigenschaften und Behandlung der optimalen Platin-Aluminium-Region 34, 36 zu bestimmen. Das Ergebnis ist, dass die Region 34, 36 eine integrierte Zusammensetzung von 18 bis 24 Gew.-% Aluminium und von 18 bis 45 Gew.-% Platin aufweist. Bevorzugter ist die integrierte Zusammensetzung von 21 bis 23 Gew.-% Aluminium und von 30 bis 45 Gew.-% Platin. Der Rest der Zusammensetzung sind diffundierte Komponenten des Substrates, hauptsächlich Nickel, Cobalt und Chrom, so dass die gesamte Zusammensetzung aus Aluminium, Platin und den diffundierten Komponenten 100% beträgt.
Diese Region 34, 36 ist eine einphasige, relativ duktile Zusammensetzung aus Aluminium, Platin, Nickel und den diffundierten Komponenten des Substrates. Beim bevorzugten Herangehen hat die Region 34, 36 eine Dicke von 0,0635 mm (0,0025 Zoll).
Nach dem bis zu diesem Punkt beschriebenen Verfahren von 3 können wahlweise eine oder beide von zwei zusätzlichen Verarbeitungsstufen ausgeführt werden. Das Substrat 32 und die ineinander diffundierte Region 34, 36 können geglüht werden, um Spannung aus der ineinander diffundierten Region 34, 36 zu entfernen, Stufe 60. Dieses Glühen, obwohl es in weitem Rahmen für gewisse Schutzüberzüge benutzt wird, hat sich beim vorliegenden Herangehen als nicht erforderlich erwiesen. Wenn es benutzt wird, dann ist eine bevorzugte Glühbehandlung die bei einer Tem-peratur von 982–1043,3°C (1.800–2.000°F) für eine Zeit von 1/4 bis 2 Stunden.
Wahlweise kann eine Keramikschicht auf der Oberfläche 31 des Substrates 30 abgeschieden werden, Stufe 62, wenn die Endstruktur die eines thermischen Sperrüberzugssystems der in 2B abgebildeten Art sein soll. Die Keramikschicht für einen thermischen Sperrüberzug 38 besteht vorzugsweise aus mit Yttriumoxid stabilisiertem Zirkoniumoxid (YSZ) mit einer Zusam mensetzung aus Zirkoniumdioxid und etwa 6–8 Gew.-% Yttriumoxid und einer Dicke von 0,127–0,381 mm (0,005–0,015 Zoll). Das YSZ wird nach irgendeiner ausführbaren Technik abgeschieden, am bevorzugtesten ist eine physikalische Dampfabscheidung mittels Elektronenstrahl.
Überzüge aus einer Vielfalt von Platin-Aluminium-Zusammensetzungen wurden hergestellt nach dem oben beschriebenen bevorzugten Herangehen unter Einsatz von RN5-Substraten. Die überzogenen Proben wurden in Brennergestellen in einer Hochgeschwindigkeits-Umgebung mit 0,5 ppm Salz bei 1.129°C (2.150°F) getestet. Die Lebensdauern der überzogene Proben wurden in Stunden des Aussetzens pro 0,254 mm (0,001 Zoll) des Überzuges bestimmt. 4 zeigt die Ergebnisse dieser Tests. Es gibt eine bestimmte Region signifikant verbesserter Leistungsfähigkeit für Platin-Aluminium-Regionen mit einem integrierten Aluminium-Gehalt von 18 bis 24 Gew.-% und einem integrierten Platin-Gehalt von 18 bis 45 Gew.-%, Rest Komponenten der Massenzusammensetzung des Substrates. Besonders erwünschte Ergebnisse werden für einen optimalen Zusammensetzungs-Bereich erhalten, bei dem der integrierte Aluminium-Gehalt der Oberflächenregion von 21 bis 23 Gew.-% und der integrierte Platin-Gehalt der Oberflächenregion von 30 bis 45 Gew.-% beträgt. Außerhalb dieser Grenzen nimmt der durch die Oberflächenregion gewährleistete Schutz ab.
Diese Erfindung wurde in Verbindung mit spezifischen Ausführungsformen und Beispielen beschrieben. Der Fachmann wird jedoch verschiedene Modifikationen und Variationen erkennen, deren die vorliegende Erfindung fähig ist, ohne den Rahmen zu verlassen, wie er durch die beigefügten Ansprüche repräsentiert wird.

Claims

Gegenstand mit einem Platinaluminid-Oberflächenbereich, umfassend: im wesentlichen ein einkristallines Substrat mit einer hochlegierten Massenzusammensetzung auf Nickelbasis, mit einem Aluminiumgehalt von 5 bis 16 Gew.-% und einem Rheniumgehalt von 1 bis 8 Gew.-%, und einer Substratoberfläche; und einem einphasigem Platinaluminid-Oberflächenbereich an der Substratoberfläche, gebildet durch Abscheiden einer Platinschicht auf der Substratoberfläche und Diffundieren der Platinschicht in die Substratoberfläche und danach Bereitstellen einer Aluminiumquelle und Diffundieren von Aluminium in die Substratoberfläche, wobei der Substratbereich einen integrierten Aluminiumgehalt von 18 bis 24 Gew.-% und einen integrierten Platingehalt von 18 bis 45 Gew.-%, Rest Nickel und diffundierte Komponenten der Substrat-Massenzusammensetzung, aufweist, die insgesamt 100 Gew.-% ergeben, und worin die Platin- und Aluminiumgehalte relativ hoch benachbart der Substratoberfläche sind und mit zunehmendem Abstand von der Substratoberfläche in das Substrat hinein abnehmen.
Gegenstand nach Anspruch 1, worin der integrierte Aluminiumgehalt des Oberflächenbereiches von 21 bis 23 Gew.-% und der integrierte Platingehalt des Oberflächeberieches von 30 bis 45 Gew.-% beträgt.
Gegenstand nach Anspruch 1 oder 2, worin der Gegenstand weiter eine Keramikschicht aufweist, die auf dem Oberflächenbereich liegt, wobei die Keramikschicht eine Dicke von 0,127 mm (0,005 inches) bis 0,381 mm (0,0015 inches) aufweist.
Gegenstand nach einem vorhergehenden Anspruch, wobei der Gegenstand eine Turbinen-Laufschaufel oder eine Turbinen-Leitschaufel ist.
Gegenstand nach einem der Ansprüche 1 bis 4, worin die Substrat-Massenzusammensetzung ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus (a) 7,5% Cobalt, 7% Chrom, 6,2% Aluminium, 6,5% Tantal, 5% Wolfram, 1,5% Molybdän, 3% Rhenium, Rest Nickel: (b) 12,5% Cobalt, 4,5% Chrom, 6% Aluminium, 7,5% Tantal, 5,8% Wolfram, 1,1% Molybdän, 5,4% Rhenium, 0,15% Hafnium, Rest Nickel und (c) 12% Cobalt, 6,8% Chrom, 6,2% Aluminium, 6,4% Tantal, 4,9% Wolfram, 1,5% Molybdän, 2,8% Rhenium, 1,5% Hafnium, Rest Nickel.
Verfahren zum Herstellen eines Gegenstandes mit einem Platinaluminid-Oberflächenbereich, umfassend die Stufen: im wesentlichen ein einkristallines Substrat mit einer hochlegierten Massenzusammensetzung auf Nickelbasis, mit einem Aluminiumgehalt von 5 bis 16 Gew.-% und einem Rheniumgehalt von 1 bis 8 Gew.-%, und einer Substratoberfläche; danach Abscheiden einer Platinschicht auf der Substratoberfläche, danach Diffundieren von Platin aus der Platinschicht in die Substratoberfläche, danach Schaffen einer Aluminiumquelle; und danach Diffundieren von Aluminium aus der Aluminiumquelle in die einphasige Substratoberfläche für eine genügende Zeit, um einen einphasigen Oberflächenbereich an der Substratoberfläche zu erzeugen, wobei der Substratbereich einen integrierten Aluminiumgehalt von 18 bis 24 Gew.-% und einen integrierten Platingehalt von 18 bis 45 Gew.-%, Rest Nickel und diffundierte Komponenten der Substrat-Massenzusammensetzung, aufweist.
Verfahren nach Anspruch 6, worin die Stufe des Diffundierens von Aluminium die Stufe des Erhitzens der Substratoberfläche und der Aluminiumquelle auf eine Temperatur von 1051,7–1121°C (1925–2050°F) für eine Dauer von 4 bis 16 Stunden einschließt.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, worin die Stufe des Schaffens einer Aluminiumquelle die Stufe des Schaffens einer Aluminiumquelle in Kontakt mit der Substratoberfläche einschließt, wobei die Quelle eine Aktivität von 40 bis 50 Atom-%, gemessen in einer reinen Nickelfolie; einschließt.
Verfahren nach Anspruch 6, 7 oder 8, worin die Stufe des Diffundierens von Platin die Stufe des Erhitzens des Substrates und der Platinschicht auf eine Temperatur von 982–1093,3°C (1800–200°F) für eine Zeit von 2 Stunden einschließt.
Verfahren nach einem der Ansprüche von 6 bis 9, das nach der Stufe des Diffundierens von Aluminium eine zusätzliche Stufe des Abscheidens einer Keramikschicht einschließt, die über der Substratoberfläche liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 10, worin die Stufe des Diffundierens von Aluminium die Stufe des Diffundierens von Aluminium aus der Aluminiumquelle in die Substratoberfläche für eine genügende Zeit einschließt, so dass der Oberflächenbereich einen integrierten Aluminiumgehalt von 21 bis 23 Gew.-% und einen integrierten Platingehalt von 30 bis 45 Gew.-%, Rest Komponenten der Substrat-Massenzusammensetzung, aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 11, worin die Stufe der Schaffung eines Substrates die Stufe der Schaffung eines Legierungssubstrates auf Nickelbasis einschließt, das im Wesentlichen einkristallin ist und eine Zusammensetzung aufweist, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus (a) 7,5% Cobalt, 7% Chrom, 6,2% Aluminium, 6,5% Tantal, 5% Wolfram, 1,5% Molybdän, 3% Rhenium, Rest Nickel: (b) 12,5% Cobalt, 4,5% Chrom, 6% Aluminium, 7,5% Tantal, 5,8% Wolfram, 1,1% Molybdän, 5,4% Rhenium, 0,15% Hafnium, Rest Nickel und (c) 12% Cobalt, 6,8% Chrom, 6,2% Aluminium, 6,4% Tantal, 4,9% Wolfram, 1,5% Molybdän, 2,8% Rhenium, 1,5% Hafnium, Rest Nickel.