DE69930804T2

DE69930804T2 - Herstellung von schwefelarmen Platin-Schichten und Platinaluminid-Schichten in thermischen Sperrschichten

Info

Publication number: DE69930804T2
Application number: DE69930804T
Authority: DE
Inventors: Irene Theodor Loveland Spitsberg; William Scott Maineville Walston; Jon Conrad Greenville Schaeffer
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1998-09-08
Filing date: 1999-07-08
Publication date: 2006-12-07
Anticipated expiration: 2019-07-09
Also published as: EP0985744B1; EP0985744A1; DE69930804D1; US6551423B1

Description

Die hier beschriebene Erfindung wurde bei Durchführung von Arbeit unter einem NASA-Vertrag gemacht und unterliegt den Vorschriften von Abschnitt 305 des Nationat Aeronautic and Space Act von 1958, Öffentliches Gesetz 85–568 (72 Stat. 435; 42 USC 2457).
Diese Erfindung betrifft Nickelbasis-Superlegierungen, die in Hochtemperaturanwendungen eingesetzt werden, und insbesondere Gegenstände, die aus derartigen Materialien hergestellt sind und eine Wärmebarrierenbeschichtung mit einer Platin-Aluminid-Haftschicht aufweisen.
In einem Flugzeuggasturbinen-(Strahl)-Triebwerk wird Luft in den vorderen Abschnitt des Triebwerks eingesaugt, durch einen auf einer Welle montierten Kompressor komprimiert und mit Brennstoff vermischt. Das Gemisch wird verbrannt und die sich ergebenden heißen Gase werden durch eine auf derselben Welle montierte Turbine geleitet. Der Gasstrom dreht die Turbine, welche wiederum die Welle dreht und Energie an den Kompressor liefert. Die heißen Abgase strömen aus dem rückwärtigen Abschnitt des Triebwerks, wobei sie dieses und das Flugzeug nach vorne treiben.
Je heißer die Abgase sind, desto effizienter ist der Betrieb des Strahltriebwerks. Es besteht daher ein Anreiz, die Abgastemperatur zu erhöhen. Die maximale Temperatur der Abgase ist jedoch normalerweise durch die für die Herstellung der Turbinenleitschaufeln und Turbinenlaufschaufeln der Turbine verwendeten Materialien begrenzt. In derzeitigen Triebwerken bestehen die Turbinenleit- und Laufschaufeln aus Superlegierungen auf Nickelbasis und können bei Temperaturen rungen auf Nickelbasis und können bei Temperaturen von 1038 °C bis 1149 °C (1900 °F bis 2100 °F) arbeiten.
Viele Konzepte wurden verfolgt, um die Betriebstemperaturgrenze der Turbinenlauf- und Leitschaufeln zu erhöhen. Die Zusammensetzungen und Verarbeitungen der Materialien selbst sind bereits verbessert. Physikalische Kühltechniken werden eingesetzt. In einem breit eingesetzten Konzept sind interne Kühlkanäle in den Komponenten vorgesehen und Kühlluft wird während des Triebwerksbetriebs durch die Kanäle gepumpt.
In einem weiteren Konzept wird eine metallische Schutzbeschichtung oder ein Keramik/Metall-Wärmebarrieren-Beschichtungssystem auf die Turbinenlaufschaufel- oder Turbinenleitschaufelkomponente aufgebracht, welche als Substrat dient. Die metallische Schutzbeschichtung ist in Zwischentemperaturanwendungen nützlich. Ein bekannter Typ einer metallischen Schutzbeschichtung ist eine Platin-Aluminid-Beschichtung, die erzeugt wird, indem zuerst Platin und dann Aluminium auf der Oberfläche des Substrates abgeschieden wird, und dann diese Bestandteile ineinander diffundiert werden. Eine keramische Wärmebarrierenbeschichtung kann dann über der Platin-Aluminid-Beschichtung liegend aufgebracht werden.
Das Wärmebarrierenbeschichtungssystem ist in Hochtemperaturanwendungen nützlich. Die keramische Wärmebarrierenbeschichtung isoliert die Komponente von dem Abgas, was ein heißeres Abgas zulässt, als es ansonsten mit dem speziellen Material und Herstellungsprozess der Komponente möglich wäre. Jedoch haften keramische Schichten üblicherweise nicht gut direkt auf den in den Substraten verwendeten Superlegierungen auf Nickelbasis. Daher wird die Platin-Aluminid-Haftschicht zwischen dem Substrat und der Wärmebarrierenbeschichtung an geordnet, um die Haftung der Keramikschicht auf dem Substrat zu bewirken. Zusätzlich oxidiert die Oberseite der Bindebeschichtung zu einer schützenden Aluminiumoxidhaut, um eine Oxidation des Substrates zu verhindern.
EP-A-0,733,723 offenbart ein Wärmebarrierenbeschichtungssystem, das eine Pt-Al-Haftschicht oder Superlegierungen auf Co-Basis enthält, welche durch Elektroplattierung der Pt-Schicht und dann durch Ausführen einer CVD-Aluminisierungsbehandlung bei höher als 1000 °C erhalten wird. EP-A-0,718,419 offenbart ein Verfahren zum Herstellen eines aus einer Superlegierung auf Nickelbasis bestehenden Gegenstandes, das Abscheiden einer ersten Schicht, das Erwärmen des Gegenstandes auf 1000 °C bis 1200 °C in Vakuum für eine Stunde, eine Sandstrahlung der Diffusionsschicht auf der Oberfläche, und die Abscheidung einer keramischen Deckschicht.
Obwohl mit derartigen Keramik/Metall-Wärmebarrierenbeschichtungssystemen beschichtete Superlegierungen im Wesentlichen ein verbessertes Verhalten gegenüber unbeschichteten Materialien bieten, verbleibt noch Gelegenheit zur Verbesserung im Verhalten bei höheren Temperaturen und in der Umweltbeständigkeit. Es besteht ein ständiger Bedarf nach verbesserten Haftbeschichtungen, um Superlegierungen auf Nickelbasis in Anwendungen bei erhöhten Temperaturen zu schützen. Diese Notwendigkeit wurde mit der Entwicklung der neuesten Generation von Superlegierungen auf Nickelbasis akuter, da die älteren Schutzbeschichtungen oft mit diesen Materialien nicht zufrieden stellend sind. Die vorliegende Erfindung stillt diesen Bedarf und bietet weitere entsprechende Vorteile.
Die vorliegende Erfindung schafft eine metallische Beschichtung für Superlegierungen auf Nickelbasis. Der Überzug weist eine Platin-Aluminid-Schicht auf, die als metallische Schutzbeschichtung oder als eine Haftschicht für ein Wärmebarrierenbeschichtungssystem nützlich ist. Der Überzug liegt in der Form eines Oberflächenbereiches vor, der gut mit dem Substrat verbunden ist. Die Platin-Aluminid-Beschichtung hat eine gute Stabilität bei erhöhter Temperatur und Beständigkeit gegen Verschlechterung durch die Umgebung in typischen Gasturbinentriebwerksanwendungen.
Gemäß der Erfindung weist ein Verfahren zum Herstellen eines Gegenstandes mit einem durch eine Überzugsbeschichtung geschützten Substrat die Schritte der Bereitstellung eines eine Superlegierung auf Nickelbasis aufweisenden Substrates, danach Abscheiden einer ersten Platin aufweisenden Schicht, die mit einer Oberseite des Substrates in Kontakt steht, und danach Abscheiden einer Aluminium aufweisenden zweiten Schicht, die mit einer Oberseite der ersten Schicht in Kontakt steht, und das Belassen einer freigelegten Oberfläche auf. Das Verfahren beinhaltet ferner eine Endentschwefelung des Gegenstandes, um einen Gegenstand mit einer endentschwefelten freigelegten Oberfläche zu erzeugen. Der Schritt der Endentschwefelung beinhaltet die Schritte der Erwärmung des Gegenstands auf eine erhöhte Endentschwefelungstemperatur und danach die Entfernung von Material von der freigelegten Oberfläche des Gegenstandes. Die Erwärmung wird in einem Reduzierungsgas, wie z.B. Wasserstoff, ausgeführt. Nach dem Schritt der Endentschwefelung kann eine Keramikbeschichtung über der endentschwefelten zweiten Schicht abgeschieden werden.
Optional, aber erwünscht, wird nach dem Schritt der Abscheidung einer ersten Schicht und vor dem Schritt der Ab scheidung einer zweiten Schicht der Gegenstand wenigstens einmal zwischenentschwefelt, indem der Gegenstand auf eine erhöhte Temperatur in einem Reduzierungsgas erwärmt wird. Nach diesem Zwischenentschwefelungsschritt wird bevorzugt wenigstens etwas Material von der freigelegten Oberfläche entfernt.
Die Abscheidung der Platin enthaltenden ersten Schicht und der Aluminium enthaltenden zweiten Schicht hinterlässt diese Schicht mit einem relativ großen Schwefelgehalt. Insbesondere wird die erste Schicht normalerweise auf der Oberfläche des Substrates elektrisch abgeschieden, was einen hohen Schwefelgehalt in der ersten Schicht hinterlässt. Das Vorhandensein von zuviel Schwefel begünstigt die Ablösung von auf der Oberfläche der Haftschicht aber unter der keramischen Beschichtung ausgebildetem Aluminiumoxid und somit ein Ablösen der keramischen Beschichtung von der Oberfläche des Substrates während des anschließenden Einsatzes. Die vorliegende Erfindung reduziert den Schwefelgehalt der Platin-Aluminid-Zwischendiffusionsschicht auf einen niedrigen Pegel von etwa 10 ppm in Gewichtsanteilen (ppmw) oder weniger. Das Ergebnis ist eine verbesserte Haftung des Aluminiumoxids und der keramischen Deckschicht während des Einsatzes.
Jeder Erwärmungsschritt bewirkt, dass Schwefel aus dem Innenvolumen der unmittelbar an der Oberfläche liegenden Beschichtung zu der freigelegten Oberfläche diffundiert. Wenn die Erwärmung in Wasserstoff durchgeführt wird, reagiert ein Teil des die freigelegte Oberfläche erreichenden Schwefels mit dem Wasserstoff und wird als Wasserstoffsulfidgas entfernt. Es wurde jedoch beobachtet, das chemische Effekte (z.B. Wechselwirkung mit Yttrium, Kalzium und möglicherweise in dem Legierungssubstrat und/oder den Haftschichten vorhan denen geringeren Elementen) und das Vorhandensein von Oxidschichten auf der freigelegten Oberfläche verhindern, dass sich ein Teil des Schwefels mit Wasserstoff vereint und die Oberfläche in wenigstens einigen Systemen verlässt. Die Entfernung von etwas Material an der freigelegten Oberfläche nach der Erwärmung, wie z.B. durch Sandstrahlen oder Honen dient zur Entfernung eines Teils dieses Bereichs mit überschüssigem Schwefel. Die neue freigelegte Oberfläche nach der Materialentfernung hat einen niedrigeren Schwefelgehalt, welcher nicht die Ablösung des anschließend erzeugten Aluminiumoxids begünstigt. Die Menge des entfernten Materials ist typischerweise ziemlich klein in der Größenordnung von etwa 0,5 μm bis etwa 2 μm und für die meisten Anwendungen ist diese Materialmengenentfernung in Bezug zu den Abmessungen des Endproduktes vernachlässigbar. Jedoch müssen die Schichten etwas dicker abgeschieden werden als es ansonsten der Fall wäre, um das entfernte Material zu berücksichtigen.
Das vorliegende Konzept führt zu einem wesentlich reduzierten Schwefelgehalt in der Platin-Aluminid-Beschichtung, und somit in der endbeschichteten Struktur, wobei die Reduzierung an der Oberfläche erreicht wird, auf welcher die nächste Überzugsschicht anschließend abgeschieden wird. Die Haftschicht und die keramische Deckschicht erzielen demzufolge während des Einsatzes eine bessere Haftung. Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden detaillierteren Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen ersichtlich, welche im Rahmen eines Beispiels die Prinzipien der Erfindung veranschaulichen, und in welchen:
1 eine perspektivische Ansicht einer Turbinenlaufschaufel ist;
2 eine schematische vergrößerte Schnittansicht des Gegenstandes von 1 ist, die ein Schutzbeschichtungssystem auf der Oberfläche des Gegenstandes darstellt;
3 eine bildliche Blockdarstellung einer bevorzugten Ausführungsform des Konzeptes der Erfindung ist;
4 eine vergleichende grafische Darstellung des Schwefelgehaltes in der Haftschicht als eine Funktion des Abstandes von der Haftschichtoberfläche nach einer Wärmebehandlung in Luft und Vakuum gefolgt von einer Materialentfernung an der Oberfläche ist; und
5 eine grafische Darstellung des Schwefelgehalts in der Haftbeschichtung als eine Funktion des Abstandes von der Haftbeschichtungsoberfläche nach der Wärmebehandlung in Wasserstoff gefolgt von einer Materialentfernung an der Oberfläche ist.
1 stellt einen Komponentengegenstand eines Gasturbinentriebwerks, wie z.B. eine Turbinenlaufschaufel oder Turbinenleitschaufel, und in dieser Darstellung einer Turbinenlaufschaufel 20 dar. Die Turbinenlaufschaufel 20 enthält ein Schaufelblatt 22, gegen welches der Strom des heißen Abgases gerichtet wird. Die Turbinenlaufschaufel 20 ist auf einer (nicht dargestellten) Turbinenscheibe mittels eines Schwalbenschwanzes 24 montiert, welcher sich von dem Schaufelblatt 22 nach unten erstreckt und mit einem Schlitz auf der Turbinenscheibe in Eingriff steht. Eine Plattform 26 erstreckt sich in Längsrichtung aus dem Bereich, in welchem das Schaufelblatt 22 mit dem Schwalbenschwanz 24 verbunden ist. In einigen Gegenständen erstreckt sich eine Anzahl von Kühlkanälen durch das Innere des Schaufelblattes 22, die in Öffnungen 28 in der Oberfläche des Schaufelblattes 22 enden. Ein Kühlluftstrom wird durch die Kühlkanäle geleitet, um die Temperatur des Schaufelblattes 22 zu reduzieren.
2 stellt ein Schutzbeschichtungssystem 30 dar, das auf der Turbinenlaufschaufel 20 abgeschieden ist, welche dadurch als Substrat 32 dient. Das Substrat 32 kann aus jedem beliebigen verwendbaren Material ausgebildet sein, wobei jedoch ein bevorzugtes Basismaterial, aus welchem das Gegenstandssubstrat ausgebildet wird, eine Superlegierung auf Nickelbasis ist. Eine bevorzugte Superlegierung ist Rene N5, welches eine nominelle Zusammensetzung in Gewichtsprozent von 7,5 Prozent Kobalt, 7 Prozent Chrom, 6,2 Prozent Aluminium, 6,5 Prozent Tantal, 5 Prozent Wolfram, 1,5 Prozent Molybdän, 3 Prozent Rhenium, und dem Rest Nickel hat. Weitere verwendbare Superlegierungen umfassen beispielsweise Rene N6 und Rene 42.
Das Schutzbeschichtungssystem 30 enthält eine Platin-Aluminid-Schicht 34, die über einer Oberfläche 36 des Substrates 32 liegt und mit dieser in Kontakt steht. Die Schicht 34 hat bevorzugt eine Dicke von etwa 50 μm bis etwa 75 μm, wobei aber auch geringere und größere Dicken verwendbar sind, obwohl sie weniger erwünscht sind. Kleinere Dicken der Schicht 34 neigen dazu, dass sie kleine Wege oder Durchtritte dadurch aufweisen. Größere Dicken der Schicht 34 sind teuer und zeigen eine erhöhte Tendenz, sich während der Verarbeitung und/oder des Einsatzes von dem Substrat 32 zu lösen. Die Platin-Aluminid-Schicht 34 ist typischerweise nicht chemisch homogen. Statt dessen weist sie einen höheren Platingehalt und einen niedrigeren Aluminiumgehalt in der Nähe der Oberfläche 36 und einen niedrigeren Platingehalt und einen höhe ren Aluminiumgehalt entfernt von der Oberfläche 36 und in der Nähe zu der Oberseite 38 der Platin-Aluminid-Schicht 34 auf. Dieses inhomogene Zusammensetzungsprofil ergibt sich aus der Art der Herstellung der Platin-Aluminid-Schicht 34 wie sie nachstehend diskutiert wird.
Das Schutzsystem 30 kann auch eine auf der Platin-Aluminid-Schicht 34 abgeschiedene Keramikbeschichtung 40 enthalten. Jedoch ist die vorliegende Erfindung auch bei Fehlen einer derartigen Beschichtung einsetzbar. In jedem Falle unterstützt die Endentschwefelung bei der Verbesserung der Haftung der Überzugsaluminiumoxidschicht, die sich auf der Oberseite 38 der Platin-Aluminid-Schicht 34 ausbildet. Die Keramikbeschichtung 40 ist bevorzugt etwa 0,102 mm (0,004 Inches) bis etwa 0,46 mm (0,025 Inches), am meisten bevorzugt etwa 0,127 mm (0,005 Inches) bis etwa 0,38 mm (0,015 Inches) dick. 2 ist nicht maßstäblich gezeichnet. Die Keramikbeschichtung 40 ist in Dicken außerhalb dieses Bereiches einsetzbar, was jedoch weniger erwünscht ist. Kleinere Dicken der Keramikbeschichtung 40 neigen dazu, eine unzureichende Isolation gegenüber dem Substrat 32 zu ergeben. Größere Dicken der Keramikbeschichtung 40 neigen dazu, sich während des Einsatzes von dem Gegenstand, insbesondere anschließend an einen Wärmezyklus des Gegenstandes zu lösen und tragen unnötiges Gewicht zu dem Gegenstand bei. Die Keramikbeschichtung 40 ist bevorzugt Yttriumoxid-stabilisiertes Zirkonoxid, welches ein Zirkonoxid ist, das etwa 6 bis 8 Gewichtsprozent Yttriumoxid enthält. Weitere verwendbare Keramikmaterialien können ebenfalls verwendet werden.
Wärmebarrierenschutzsysteme dieses allgemeinen Typs sind im Fachgebiet bekannt, mit der Ausnahme, dass die Vorzüge der Erzielung eines niedrigen Schwefelgehaltes in der Platin- Aluminid-Schicht 34, die durch das nachstehend beschriebene Konzept erreicht werden, nicht erkannt wurden.
3 stellt in bildlicher Blockdiagrammform ein bevorzugtes Konzept für die praktische Ausführung der vorliegenden Erfindung dar. Das Substrat 32 wird bereitgestellt, Bezugszeichen 50. Das Substrat 32 liegt in der allgemeinen Form und im Wesentlichen in derselben Größe wie der gewünschte Endgegenstand, wie z.B. die Turbinenlaufschaufel 20, vor, kann aber in den Abmessungen etwas kleiner sein, um die Hinzufügung des Schutzbeschichtungssystems 30 zu berücksichtigen. Das Substrat 32 kann jede verwendbare Zusammensetzung aufweisen, ist aber bevorzugt eine Superlegierung auf Nickelbasis und am meisten bevorzugt die Superlegierung Rene N5, deren nominelle Zusammensetzung vorstehend beschrieben wurde.
Eine aus Platin, bevorzugt reinem Platin, bestehende erste Schicht 70, wird auf der Oberfläche 36 des Substrates 32 so abgeschieden, wie es dann präsentiert wird, Bezugszeichen 52. Die erste Schicht 70 des Platins wird bevorzugt durch Elektroplattierung wie z.B. aus einer Pt(NH₃)₄HPO₄-Lösung abgeschieden. Andere Techniken, wie z.B. chemische Dampfabscheidung können ebenfalls angewendet werden. Die aus Platin bestehende erste Schicht 70 hat bevorzugt eine Dicke von etwa 5 μm.
Die erste Schicht 70 wird danach bevorzugt, jedoch nicht notwendigerweise, zwischenentschwefelt. Die Zwischenentschwefelung wird durchgeführt, indem die erste Schicht 70 (und üblicherweise das Substrat 32) auf eine erhöhte Temperatur in einer Atmosphäre eines reduzierenden Gases erwärmt wird, Bezugszeichen 54. Das reduzierende Gas ist bevorzugt Wasserstoff. Der Wasserstoff reagiert mit dem die freigelegten O berfläche 74 erreichenden Schwefel unter Erzeugung von Wasserstoffsulfidgas, welches abgeführt wird. Die Zwischenerwärmung 54 wird bevorzugt bei einer Temperatur von etwa 1052 °C bis etwa 1079 °C (1925 °F bis etwa 1975 °F) für eine Zeit nicht länger als etwa 8 Stunden ausgeführt.
Wenn eine Wasserstoffatmosphäre in dem Erwärmungsschritt 54 (oder in dem anschließend beschriebenen Erwärmungsschritt 60) verwendet wird, befindet sich der Wasserstoff auf Atmosphärendruck und strömt statt dass er als eine statische Atmosphäre aufrechterhalten wird, bevorzugt an dem verarbeiteten Gegenstand vorbei. In der von den Erfindern verwendeten Vorrichtung war die Wasserstoffströmungsrate etwa 0,566 m³ (2 cubic feet) STP (gemessen bei Standardtemperatur und Druck) pro Stunde bis etwa 1,416 m³ (5 cubic feet) pro Stunde, besonders bevorzugt 5 Kubikfuß STP pro Stunde. Es ist sehr erwünscht, dass der Sauerstoffgehalt des strömenden Wasserstoffes kleiner als 1 ppm pro Volumenanteil ist, was erreicht wird, indem das Gas durch einen Getterstoff, wie z.B. einen Zirkonschwamm, vor der Kontaktaufnahme mit dem verarbeiteten Gegenstand geführt wird. Ansonsten bildet sich ein dünner Film aus Aluminiumoxid auf der freigelegten freien Oberfläche des verarbeiteten Gegenstandes aus, welcher die Reaktion des Schwefels mit dem Wasserstoff verhindert oder behindert.
Nach der Zwischenerwärmung 54 wird Material 72 von der freigelegten freien Oberfläche 74 der ersten Schicht 70 entfernt, Bezugszeichen 56. Während der Erwärmung 54 diffundiert Schwefel zu der freigelegten freien Oberfläche 74. Es bestehen jedoch in dem Falle des bevorzugten Wasserstoffreduzierungsgases Hindernisse, dass der Schwefel die freigelegte freie Oberfläche zur Reaktion für die Ausbildung von Wasserstoffsulfidgas erreicht und entfernt wird. Selbst in einem nominell reinen Reduzierungsgas gibt es eine gewisse Oxidation an der freigelegten freien Oberfläche 74 der ersten Schicht 70. Einige Elemente, wie z.B. Yttrium aus dem Substrat und Kalzium aus der Beschichtung sondern sich an der freigelegten freien Oberfläche 74 ab, was zu einer reduzierten chemischen Aktivität des Schwefels an der Oberfläche führt. Jeder von diesen Effekten verhindert die Verbindung von Schwefel mit Wasserstoff an der freigelegten freien Oberfläche 74. Material 72 mit einer höheren Schwefelkonzentration wird optional von der freien Oberfläche durch eine beliebig ausführbare Technik entfernt. Sandstrahlen mit einem Feinsand, wie z.B. Sand der Nummer 80, bei 5,518 bar (60 pounds per square inch), oder Dampfhonen wird zur Entfernung von Material von der freien Oberfläche bevorzugt. Bevorzugt wird eine Dicke des Materials 72 von etwa 0,5 μm bis etwa 2 μm entfernt.
Nach der optionalen Zwischenerwärmung 54 und der Materialentfernung 56 wird eine Aluminium aufweisende zweite Schicht 76 über der ersten Schicht 70 und mit dieser in Kontakt abgeschieden, Bezugszeichen 58. Die zweite Schicht 76 steht mit der schwefelreduzierten ersten Schicht 70 in Kontakt. Die zweite Schicht 76 wird mittels eines beliebig ausführbaren Verfahrens abgeschieden. Bevorzugt wird ein Halogenwasserstoffgas, wie z.B. Wasserstoffchlorid mit dem Aluminiummetall oder einer Aluminiumlegierung in Kontakt gebracht, um das entsprechende Aluminiumhalidgas zu erzeugen. Das Aluminiumhalidgas wird mit der zuvor abgeschiedenen ersten Schicht 70, die über dem Substrat 32 liegt, in Kontakt gebracht, wodurch die Aluminium enthaltende zweite Schicht 76 über der ersten Schicht 70 abgeschieden wird. Die Reaktionen finden bei erhöhter Temperatur wie z.B. 1052 °C (1925 °F) statt, so dass an die zuvor freigelegte Oberfläche 74 über tragene Aluminiumatome bis zu einem gewissen Betrag in die erste Schicht 70 eindiffundieren. Für Darstellungszwecke ist jedoch die zweite Schicht 76 als von der ersten Schicht 70 getrennt in 3 dargestellt, obwohl sie zusammen als nur eine Schicht in 2 dargestellt sind.
Nach der Abscheidung der zweiten Schicht 76 wird diese endentschwefelt. Die Endentschwefelung wird ausgeführt, indem die zweite Schicht 76, und typischerweise das Substrat 32 sowie die erste Schicht 70 auf eine erhöhte Temperatur erwärmt werden, Bezugszeichen 60. Die Erwärmung wird in einer reduzierenden Atmosphäre. wie z.B. Wasserstoff. unter den gleichen Bedingungen wie vorstehend erwähnt ausgeführt. Die Erwärmung 60 wird bevorzugt bei einer Temperatur von etwa 982 °C bis etwa 1079 °C (1800 °F bis etwa 1975 °F) für eine Zeit von etwa 1 bis etwa 4 Stunden ausgeführt. Wenn kürzere Temperaturen und/oder kürzere Zeiten verwendet werden, kann die Endentschwefelung unvollständig sein. Wenn höhere Temperaturen und/oder längere Zeiten verwendet werden, wird kein zusätzlicher Gewinn erzielt, und es gibt Bedenken bezüglich unerwünschter mikrostruktureller Veränderungen an dem darunter liegenden Substrat. Es findet eine gewisse weitere Zwischendiffusion der Schichten 70 und 76 während dieser Behandlung, bei anschließenden Behandlungen bei erhöhter Temperatur und im Einsatz bei erhöhter Temperatur statt.
Nach dem Erwärmungsschritt 60 wird Material 78 von der freigelegten freien Oberfläche 80 der zweiten Schicht 76 entfernt, Bezugszeichen 62. Während des Erwärmungsschrittes 60 diffundiert Schwefel zu der freigelegten freien Oberfläche 80. Die Diffusion wird jedoch aus den vorstehend diskutierten Gründen behindert. Material 78 mit einer höheren Schwefelkonzentration wird daher von der freigelegten freien Oberfläche 80 durch eine beliebige durchführbare Technik entfernt, wobei das vorstehend erwähnte Sandstrahlen und Honen bevorzugt werden. Bevorzugt wird eine Materialdicke 72 von etwa 0,5 μm bis etwa 2 μm Höhe entfernt. Die vorstehend diskutierten nachteiligen Effekte des Hochkonzentrations-Schwefelbereichs in der Nähe der freien Oberfläche 74 treffen hier zu, und diese Diskussion ist hier beinhaltet.
Die Keramikbeschichtung 40 wird, wenn sie angewendet wird, aufgebracht, Bezugszeichen 64. Die Keramikbeschichtung 40 kann durch jede ausführbare Technik aufgebracht werden, wobei eine physikalische Dampfabscheidung mit Elektrodenstrahl bevorzugt wird.
Das vorliegende Konzept reduziert den Schwefelgehalt der Platin-Aluminid-Schicht 34 um einen erheblichen Betrag, was zu einer besseren Haftung der Schutzbeschichtung 30 an dem Substrat 32 während des Einsatzes führt. Eine elektroplattiertes Platin enthaltende erste Schicht 70 weist typischerweise einen Spitzen-Schwefelgehalt von etwa 60 bis etwa 200 ppmw oder von etwa 15 bis etwa 40 ppmw im Mittel auf. Das vorliegende Konzept führt zu einem durchschnittlichen Schwefelgehalt in der Platin-Aluminid-Schicht 34 von nicht mehr als etwa 10 ppmw und typischerweise von etwa 3 bis etwa 5 ppmw. Selbst weitere Reduzierungen sind unter Einsatz einer Wasserstofferwärmungsatmosphäre möglich, aus welcher im Wesentlichen der gesamte Sauerstoff entfernt worden ist.
4 und 5 stellen den gemessenen Schwefelgehalt einer Haftbeschichtung als eine Funktion des Abstandes von der freigelegten freien Oberfläche der Haftbeschichtung nach der Erwärmung 60 und Materialentfernung 62 an der freien Oberfläche dar. In dem Prozess, dessen Ergebnis in 4 darge stellt ist, wurde der Erwärmungsschritt 40 in Luft und Vakuum ausgeführt. In dem Prozess, dessen Ergebnis in 5 dargestellt ist, wurde der Erwärmungsschritt 60 in Wasserstoff ausgeführt.

Claims

Verfahren zum Herstellen eines Gegenstandes mit einem durch eine Überzugsbeschichtung geschützten Substrat mit den Schritten einer Bereitstellung eines eine Superlegierung auf Nickelbasis aufweisenden Substrates; danach Abscheiden einer ersten Platin aufweisenden Schicht, die mit einer Oberseite des Substrates in Kontakt steht; und Abscheiden einer Aluminium aufweisenden zweiten Schicht, die mit einer Oberseite der ersten Schicht in Kontakt steht, Belassen einer freigelegten Oberfläche; und danach gekennzeichnet durch: eine Endentschwefelung des Gegenstands, um einen Gegenstand mit einer endentschwefelten freigelegten Oberfläche zu erzeugen, wobei der Schritt der Endentschwefelung die Schritte umfasst: Erwärmen des Gegenstands auf eine erhöhte Endentschwefelungstemperatur von etwa 982 °C (1800 °F) bis etwa 1079 °C (1975 °F) in einer Atmosphäre aus reduzierendem Gas, und danach Entfernen einer Schicht aus Material mit konzentriertem Schwefel von der freigelegten Oberfläche des Gegenstands.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt der Endentschwefelung den Schritt enthält: Erwärmen des Gegenstands auf die erhöhte Endentschwefelungstemperatur in Wasserstoff.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt der Endentschwefelung den Schritt enthält: Erwärmen des Gegenstands auf die erhöhte Entschwefelungstemperatur von etwa 982 °C (1800 °F) bis etwa 1079 °C (1975 °F) für eine Zeit von 1 bis 4 Stunden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt der Entfernung von Material den Schritt enthält: Entfernen von 0,5 μm bis 2 μm Material von der freigelegten Oberfläche des Gegenstands.
Verfahren nach Anspruch 1, das einen nach dem Schritt einer Abscheidung einer ersten Schicht und vor dem Schritt einer Abscheidung einer zweiten Schicht durchgeführten zusätzlichen Schritt einer Zwischenentschwefelung des Gegenstands enthält, indem der Gegenstand auf eine erhöhte Zwischenentschwefelungstemperatur erwärmt wird, und danach zwischenzeitlich Material von einer freigelegten Oberfläche des Gegenstands entfernt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei der Schritt der Zwischenentschwefelung den Schritt der Erwärmung des Gegenstands auf die erhöhte Zwischenentschwefelungstemperatur von 1052 °C (1925 °F) bis 1079 °C (1979 °F) für eine Zeit von weniger als 8 Stunden enthält.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt einer Zwischenentfernung von Material den Schritt einer Entfernung von 0,5 μm bis 2 μm Material von der freigelegten Oberfläche des Gegenstands enthält.
Verfahren nach Anspruch 1, das nach dem Schritt der Abscheidung der zweiten Schicht und vor dem Schritt der Endentschwefelung einen zusätzlichen Schritt einer Erwärmung des Gegenstands enthält, um die erste Schicht und die zweite Schicht ineinander zu diffundieren.
Verfahren nach Anspruch 1, das nach dem Schritt der Endentschwefelung eine zusätzlichen Schritt einer Abscheidung einer keramischen Beschichtung enthält, die über der endentschwefelten freigelegten Oberfläche des Gegenstands liegt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt einer Abscheidung einer ersten Schicht den Schritt einer Elektroabscheidung der ersten Schicht enthält.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt einer Abscheidung einer zweiten Schicht den Schritt einer Abscheidung der zweiten Schicht aus einer Gasphase enthält.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner mit den Schritten: nach dem Abscheiden der ersten Schicht, zuerst Erwärmen des Gegenstands auf eine erhöhte Temperatur in Wasserstoffgas; danach Entfernen einer Schicht aus Material mit konzentriertem Schwefel von einer freigelegten Oberfläche der ersten Schicht.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei der Schritt einer ersten Erwärmung bei einer Temperatur von 1052 °C (1925 °F) bis 1079 °C (1975 °F) für eine Zeit von weniger als 8 Stunden durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei der Schritt einer zweiten Erwärmung bei einer Temperatur von 982 °C (1800 °F) bis 1079 °C (1975 °F) für eine Zeit 1 bis 4 Stunden durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 12, das nach dem Schritt der Entfernung von Material von der freigelegten Oberfläche der zweiten Schicht, den zusätzlichen Schritt einer Abscheidung einer Keramikbeschichtung enthält.
Verfahren nach Anspruch 1, das ferner den Schritt der Entschwefelung des Gegenstands nach wenigstens einem der Schritte der Abscheidung der ersten Schicht und der Abscheidung der zweiten Schicht mittels der Schritte enthält: Erwärmen des Gegenstands auf eine erhöhte Temperatur, und danach Entfernen einer Dicke eines Materials von 0,5 μm bis 2,0 μm von einer Oberfläche des Gegenstands, welche während des Schritts der Erwärmung freigelegt war.
Verfahren nach Anspruch 16, das nach dem Schritt der Abscheidung einer zweiten Schicht und nach jedem nach dem Schritt der Abscheidung einer zweiten Schicht durchgeführten Entschwefelungsschritt einen Schritt einer Abscheidung einer keramischen Beschichtung enthält.