DE3246303A1

DE3246303A1 - Verfahren zum aufbringen eines keramischen belages

Info

Publication number: DE3246303A1
Application number: DE19823246303
Authority: DE
Inventors: George Scott 06066 Vernon Conn. Bosshart; Alfred Pio 06473 North Haven Conn. Matarese
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 1981-12-14
Filing date: 1982-12-14
Publication date: 1983-08-04
Also published as: NL190869B; CA1214080A; FR2518123A1; GB2112667B; MX159813A; SE459976B; ES518135A0; FR2518123B1; JPS58117876A; IL67459A0; SE8207073D0; JPS641552B2; DE3246303C2; US4481237A; ES8401730A1; SG83885G; NL190869C; BE895243A; GB2112667A; IT8224729A0

Description

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Tel. 089/295] 25

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Hartford, Ct. V.St.A.

DE ü/m

Verfahren zum Aufbringen eines keramischen Belages

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Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Aufbringung keramischer Beläge auf ein Metallsubstrat, sowie keramische Wärmesperrbeläge, und insbesondere Beläge, deren Zusammensetzung allmählich von einer metallischen in eine keramische übergeht, die mit dem Verfahren erhalten werden.

Die Grundgedanken wurden in der Gasturbinenindustrie zur Verwendung bei der Herstellung von äußeren Luftdichtungen der Turbinen entwickelt, sie sind jedoch in weitem Rahmen sowohl auf diesem Fachgebiet als auch auf anderen anwendbar. In modernen Gasturbinentriebwerken haben die Gase des Arbeitsmediums Temperaturen über 1O93°C (2OOO°F) und werden über Reihen von Turbinenschaufeln expandiert, um Energie aus dem strömenden Medium abzuziehen. Ein als äußere Lüftdichtung bezeichneter Kranz umgibt jede Reihe von Turbinenschaufel^ um ein übertreten von Arbeitsgasen über die Schaufelspitzen zu verhindern.

Die abgestuften keramischen Beläge und Verfahren zu ihrer Aufbringung, wie nachstehend beschrieben, wurden speziell für die Anwendung bei äußeren Luftdichtungen von Turbinen entwickelt. Dauerhafte Strukturen, deren verläßlicher Langzeiteinsatz in der feindlichen Turbinenumgebung möglich ist, wurden angestrebt. Spezielle Erfordernisse sind hohe Temperaturbeständigkeit und gute Beständigkeit gegen thermischen Schock bzw. gegen Temperaturänderungen. Zusätzlich muß das Dichtungsmaterial eine angemessene Oberflächenverschleißbarkeit aufweisen, um einen zerstörerischen Eingriff zu vermeiden, wenn die Rotorschaufeln reit der umgebenden Dichtung in reibende Berührung treten.

Die US-Patentschriften 3 091 548, 3 817 719, 3 879 831, 3 911 891, 3 918 925, 3 975 165 und 4 109 031 sind repräsentativ für die bekannten, bei keramisch verkleideten Dichtungen anwendbaren Maßnahmen und Gestaltungen.

Wie in einigen der vorstehend angegebenen Druckschriften, und insbesondere im einzelnen in US-PS 4 163 071 beschrieben, kann die Temperatur des Metallsubstrats, auf dem der keramische Belag aufgebracht wird, vorgeheizt werden, um entweder Restspannungen oder die Belagdichte zu steuern. Gewöhnlich erfolgte diese Aufheizung auf eine gleichmäßige Temperatur. ·

Obgleich viele der Materialien und Verfahren, die in den vorstehend genannten Patentschriften beschrieben sind, bekanntermaßen höchst vorteilhaft sind, lassen die sich daraus ergebenden Strukturen noch zu wünschen übrig, insbesondere bei Anwendungen in einer aggressiven Umgebung. Es sind daher immer noch Entwicklungen mit dem Ziel verbesserter Materialien und Verfahren im Gange.

Gemäß der Erfindung werden abgestufte Schichten aus Metall/Keramik-Material mit zunehmendem Keramikgehalt nacheinander auf ein Metallsubstrat aufgebracht, und zwar unter Bedingungen veränderlicher Substrattemperaturen, wobei eine oder mehrere Schichten bei einer Anfangstemperatur abgeschieden werden, die größer ist oder gleich der Endtemperatur, bei der die vorhergehende Schicht abgeschieden wurde, und mit einer Endtemperatur, die geringer ist als oder gleich der Temperatur, bei welcher die nachfolgende Lage abgeschieden wird.

Gemäß einem speziellen Verfahren werden die abgestuften Schichten kontinuierlich aufgebracht, wobei Veränderungen der Metall/Keramik-Zusammensetzung ohne Unterbrechung des Beschichtungsvorgangs erfolgen und Veränderungen der

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Substrattemperatur in Übergangszonen während des Beschichtungsvorganges vorgenommen werden.

Ein wesentliches Merkmal der Erfindung ist die Steuerung der Fehlanpassung thermischer Spannungen. Die Steuerung der Substrattemperatur während des Beschichtungsvorgangs erzeugt eine Temperaturcharakteristik in dem beschichteten Teil, bei der das Material innerhalb des Teils im wesentlichen spannungsfrei ist. Die Steuerung der Substrattemperatur nicht nur bei jeder aufeinanderfolgenden Schicht sondern auch während der Abscheidung der gleichmäßig zusammengesetzten Schicht selbst, führt zu einer bevorzugten Verteilung der Restspannungen durch die Schichten hindurch.

Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Maßnahmen besteht darin, daß sichere Spannungs-Festigkeits-Verhältnisse in dem Belag erzielt werden. Es werden sichere Verhältnisse über den Bereich von Temperaturen und Temperaturgradienten hinweg erzielt, denen das Teil während seines Betriebszyklus ausgesetzt wird. Ein Ausfall des Belages wird sogar unter Temperaturbedingungen verhindert, die sich um 1O93°C (2OOO°F) verändern können. Wenn das Teil anfänglich in einer Betriebsumgebung aufgeheizt wird, werden Rest-Druckspannungen in der Keramik entspannt. Eine weitere Aufheizung erzeugt thermische Zugspannungen in der Keramik, jedoch nicht mit Werten, die einen Ausfall verursachen könnten.

Die Erfindung wird im folgenden beispielsweise unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert; es zeigt:

Fig. 1 eine vereinfachte Darstellung des

Verfahrens zur Beschichtung einer keramikverkleideten Dichtung eines Gasturbinentriebwerks;

Pig. 2 eine graphische Darstellung der Temperatursteuerung des Metallsubstrats auf dem mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ein abgestufter keramischer Belag aufgebracht wird;

Fig. 3 eine graphische Darstellung der Rest-, spannung bei Raumtemperatur, welche als Funktion der Beschichtungstiefe bei einem mit dem erfindungsgemäßen Verfahren aufgebrachten Belag dargestellt ist;

Fig. 4 eine graphische Darstellung der Charakteristik der spannungsfreien Temperatur eines mit dem erfindungsgemäßen Verfahren¹ aufgebrachten keramischen Belages; und

Fig. 5 eine graphische Darstellung des Spannungs-Festigkeitsverhältnisses eines mit dem erfindungsgemäßen Verfahren auf eine äußere Luftdichtung einer Turbine aufgebrachten keramischen Belags, und zwar unter Triebwerksbeschleunigung auf Meereshöhenstartzustand, Meereshöhenstartzustand und Verzögerung bzw. Verlangsamung auf Leerlaufzustand.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Aufbringung eines abgestuften keramischen Belages auf ein Metallsubstrat und die sich ergebende Struktur werden mit Bezug auf eine äußere Luftdichtung bzw. Gasdichtung 10 derjenigen Art beschrieben, die in einem Gasturbinentriebwerk verwendet wird. Das Metallsubstrat 12 ist typischerweise aus einer Legierung auf Nickelbasis hergestellt, wie der in der Gasturbinenindustrie bekannten Legierung INCONEL 713, und

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weist eine daran haftende Verbindungsbeschichtung. 14 aus metallischem Material auf. Ein typisches Verbindungsbeschichtungsmaterial ist die Nickel-Chrom-Aluminium-Legierung, die in der Gasturbinenindustrie als METCO 443 bekannt ist.

Haftend mit der Verbindungsbeschichtung bzw. Haftbeschichtung 14 verbunden ist eine oder sind mehrere Zwischenschichten aus abgestuftem Metall/Keramik-Material mit zunehmender Keramikzusammensetzung. Bei einer Ausführungsform mit zwei Zwischenschichten kann eine erste Zwischenschicht 16 beispielsweise eine Mischung aus 40 Gew.-% Zirkonoxid (ZrO₂) und 60 Gew.-% COCrAlY-Material sein. Das CoCrAlY-Material einer wirksamen Ausfuhrungsform hat die nominelle Zusammensetzung: 23,0 % Chrom, 13,0 % Aluminium, 0,65 % Yttrium und als Rest im wesentlichen Kobalt. Die zweite Zwischen schicht 18 kann beispielsweise eine Mischung aus 85 Gew.-% Zirkonoxid (ZrO₂) und 15 Gew.-% CoCrAlY-Material sein, wobei das CoCrAlY-Material die gleiche Zusammensetzung aufweist, wie sie in der ersten Schicht benutzt wird. Bei derartigen Ausführungsformen weist jede aufeinanderfolgende Metall/Keramik-Schicht einen höheren Anteil des Keramikmaterials auf als die vorhergehende Schicht und einen geringeren Anteil an Keramikmaterial als die nachfolgend aufgebrachte Schicht.

über die letzte Metall/Keramik-Zwischenschicht wird 100 % Keramikmaterial, nämlich Zirkonoxid (CrO₂) aufgebracht. Bei einer bevorzugten Form werden zwei Schichten der Ablagerung verwendet: eine erste Schicht 20 aus dichtem Keramikmaterial und eine zweite Schicht 22 aus poröser Keramik. In der Praxis weist die poröse Schicht eine verminderte Dichte auf und wird als Mischung aus Zirkonoxid (ZrO )-Pulvern mit 2,5 bis 10 Gew.-% Polyester aufgebracht.

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Der Polyester wird nach der Abscheidung entfernt, um eine poröse keramische Fläche zurückzulassen. Es wird eine Erhitzung der äußeren Luftdichtung bei der Herstellung oder am Einsatzort während des Betriebs verwendet, um das Polyestermaterial aus der Keramik auszubacken. Prozentsätze an Polyester außerhalb des vorstehend genannten Bereichs können verwendet werden, um eine entsprechend abgewandelte Porösi-^fi tat zu erzeugen.

Der Zweck des keramischen Verkleidungsmaterials in einer äußeren Luftdichtungsstruktur ist ein zweifacher: einerseits zur Herstellung einer Wärmesperrschicht, die das Substrat von den heißen Gasen des Arbeitsmediums der Turbine abschirmt, denen das Substrat andernfalls ausgesetzt würde, und andererseits zur Schaffung einer verschleißbaren Dichtung, welche thermische Auslenkungen der umgebenen Rotorblätter berücksichtigt, ohne daß ein zerstörender Eingriff dazwischen stattfindet.

Während des Beschichtungsverfahrens wird die Temperatur des Substrats in einem vorbestimmten Maß gesteuert, um Restspannungs- und Belastungsmuster in der fertiggestellten Dichtung zu erzeugen. Es sind Substratheizer 24 zu diesem Zweck vorgesehen. Die Beschichtungen selbst werden durch Plasmasprühverfahren aufgebracht, wie sie in der Industrie üblich sind. Eine Plasmasprühkanone 26, in welche die Pulver oder Mischungen von Pulvern injiziert werden, läuft quer in einem sich wiederholenden Muster über das Substrat, während die Beschichtung mit der gewünschten Dicke bzw. Tiefe aufgebaut wird. Ein Plasmastrom 28 trägt die Beschichtungspulver 30 zur Oberfläche des zu beschichtenden Gegenstandes. Die Beschichtungsmischungen werden in einem kontinuierlichen Vorgang vorzugsweise verändert. Veränderungen der Substrattemperatur werden so rasch wie möglich in Übergangszonen unmittelbar vor oder während oder unmittelbar nach jeder PuI-

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verzusammensetzungsveränderung vorgenommen.

Der Substrattemperaturzyklus für die Beschichtung des vorstehend beschriebenen Bauteils ist in der graphischen Darstellung der Fig. 2 gezeigt. Die Beschichtungslagen mit den Anfangs- und Endtemperaturen des Substrats bei der Ablagerung sind wie folgt:

Belagschicht

metallische Haftbeschichtung

erste Zwischenschicht

zweite Zwischenschicht

Dichte Keramik Poröse Keramik

Dicke mm Zoll

^rO,067 (0,003) ä0,675 (0,030)

er 0,675 (0,030) c=O,675 (0,030) örO,7875 (0,035)

Anfangstemperatur

538°C (1000⁰F)

816°C (1500°F)

663°C (1225°F)
657°C (1215°F)
543°C (1010°F)

Endtemperatur

816°C (1500°F)

58O°C (1O75°F)

6O7°C (1125°F) 543°C (101O⁰F) 482°C ( 900°F)

Wie sich sowohl aus der vorstehenden Tabelle als auch aus der Fig. 2 ergibt, wird jede Zwischenschicht aus Metall/Keramik-Zusammensetzung unter verschiedenen Bedingungen der Substrattemperatur aufgebracht, wobei eine Anfangstemperatur höher ist als die Temperatur bei der Endabscheidung der vorhergehenden Schicht und die Endtemperatur kleiner ist oder gleich der Temperatur, bei der die nachfolgende Schicht anfänglich abgelagert wird. Die Substrattemperatur bei der Endabscheidung jeder Zwischenschicht ist auch geringer als die Substrattemperatur bei der Anfangsabscheidung dieser Zwischenschicht. Stufenweise Veränderungen der Temperatur an der Zwischenfläche zwischen unterschiedlichen Zusammensetzungen sind in gleicher Weise erwünscht. Praktische Erwägungen bei einem kontinuierlichen Beschichtungsprozess lassen jedoch eine Übergangszone geraten erscheinen, wie sie in der Nähe der Zusammensetzungsveränderung erscheint.

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- .1.2 —

Die von selbst vorhandenen unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen allen Keramikmaterialien und allen Metallsubstraten werden dadurch berücksichtigt, daß die Beschichtungen bzw. Beläge abgestuft werden, sowie dadurch, daß Kompressionsspannungen während der Schichtaufbringung herbeigeführt werden. Die graphische'Darstellung der kumulativen Spannung bzw. Belastung der Fig. 3 ist j kennzeichnend für die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Teile. Die graphische Darstellung zeigt eine zunehmende Kompressionsbelastung gemessen an der Rückseite des Substrats, während schrittweise Veränderungen der Beschichtungstiefe herbeigeführt werden. Die weich ansteigende Spannung zeigt das Fehlen einer ernsten Diskontinuität bei irgendeiner Beschichtungstiefe an. Falls Spannungsumkehrungen auftreten würden, würden sie als Spitzen oder Täler im Verlauf der Kurve erscheinen.

Wie vorstehend bereits erläutert, ist der Belag derart gestaltet, daß er bei einer vorgewählten Temeperatur spannungsfreie Eigenschaften aufweist. Die spannungsfreie Temperatur liegt zwischen dem kalten Zustand und der maximalen Temperatur. Die Fig. 4 zeigt eine im wesentlichen spannungsfreie Struktur bei einer Temperatur von ungefähr 649°C (1200°F). Spannungswerte bei verschiedenen, Beschichtungstiefen in den Materialien unterschiedlicher Zusammensetzung sind aufgezeichnet. Wenn die Temperatur der Struktur von der spannungsfreien Temperatur aus vermindert wird, neigt die Metallsubstrat-Seite der Struktur zur Zugspannung hin und die Keramikseite zur Druckspannung. Wenn die Temperatur der Struktur über die spannungsfreie Temperatur erhöht wird, neigt die Metallsubstratseite zur Druckspannung hin und die Keramikseite zur Zugspannung.

Die Fig. 5 ist eine graphische Darstellung, welche die Spannungs-Festigkeitsverhältnisse über den Belagquerschnitt hinweg als Funktion des Triebwerkzustandes zeigt. Die dar-

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gestellten Bedingungen sind Beschleunigung auf Meereshöhen-Startzustand (A); stationärer Meereshöhen-Startzlustand (B) ; und Verlangsamung vom Meereshöhen-Startzustand aus zum Leerlauf hin (C). Unter allen Bedingungen bleibt das Spannüngs-'-Festigkeitsverhältnis in jeder Materialschicht gut unter einem Verhältnis von 1,0, über dem ein Ausfall erwartet wird. Eine übermäßige Belastung durch differentielle Spannungen zwischen den Schichten ist vermieden. Die Auswirkung der Substrattemperatursteuerung und der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen den Materialien der aufeinanderfolgenden Schichten sind einander angeglichen, um dieses Ergebnis zu erzielen.

Leerseite

Claims

Patentansprüche

ο Verfahren zum Aufbringen eines kerftüadschen Belages auf ein Metallsubstrat, bei dem eine ode*" mehrere abgestufte Zwischenschichten aus metallisch/keramischem Material zwischen das Metallsubstrat und den keramischen Belag aufgebracht werden, dadurch gek «snnzeichnet , daß die Temperatur des Metallsabstrats während der Ablagerungsschritte der Zwischenschichten und des keramischen Belaqs derart gesteuert wird, daß die Temperatur des Substrats bei der Anfangsabscheidung des Materials jeder Zwischenschicht größer ist oder gleich der Temperatur des Substrats bei der Enäab*"^eidung der Materials der vorhergehenden Schicht, und derart,, daß die Temperatur des Substrats bei der Endabscheidung des Materials der Zwischenschicht geringer 10t als die Temperatur bei der Anfangsabscheidung dieser Zwischenschicht und kleiner oder gleich der Temperatur des Substrats, bei der die nachfolgende Schicht aufgebracht wird.

= Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das Keramikmaterial über die abgeschiedene Zwischenschicht bei einer Substrattemperatur aufgebracht wird_f die größer ist als oder gleich der Temperatur, bei der die Endabscheidung des Zwischenschicht-Materials erfolgte=

3« Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Keramikschicht mit einer Vielzahl von Abscheidungen aufgebracht wird, die mit abnehmender Metallsubstrattemperatur vorgenommen werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß eine metallische Haftbeschichtung an dem Metallsubstrat abgeschieden

wird, bevor die Anfangsabscheidung des die Zwischenschicht darstellenden abgestuften metallisch/keramischen Materials aufgebracht wird.

5. Verfahren nach einem dar vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß die keramische Schicht mit einer ersten Dichte und danach mit einer zweiten Dichte, die kleiner ist als die erste Dichte, aufgebracht wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß das die metallisch/keramischen Zwischenschichten und die keramische Schicht darstellende Material mit einem kontinuierlichen Beschichtungsvorgang aufgebracht wird, und daß die Substrattemperatur bei Materialzusammensetzungsveränderungen während des kontinuierlichen Verfahrens in Übergangszonen kurzer Dauer verändert wird.

7. Keramisch beschichteter Gegenstand, mit einem Metallsubstrat, einer an dem anfänglichen Substrat haftend angebrachten metallischen Haftbeschichtung, wenigstens einer Zwischenschicht aus einer metallisch/keramischen Zusammensetzung, die haftend an der Haftbeschichtung angebracht ist, und mit einer keramischen Schicht, die an der letzten der Zwischenschichten haftend angebracht ist, dadurch , gekennzeichnet, daß der keramisch beschichtete Gegenstand eine Spannungscharakteristik aufweist, die im wesentlichen frei von Spannungsumkehrungen über die Tiefe der Beschichtung hinweg ist.

8. Äußere Luftdichtung eines Gasturbinentriebwerks, mit einem Metallsubstrat, einer haftend mit dem Metallsubstrat verbundenen metallischen Haftbeschichtung,

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wenigstens einer Zwischenschicht mit metallisch/keramischer Zusammensetzung, die haftend mit der Haftschicht verbunden ist, einer ersten keramischen Schicht, die haftend mit der letzten der metallisch/keramischen Zwischenschichten verbunden ist, und mit einer zweiten keramischen Schicht, die haftend mit der ersten keramischen Schicht verbunden ist und eine geringere Dichte aufweist als die Dichte der ersten Schicht, dadurch gekennzeichnet , daß der keramisch beschichtete Gegenstand eine Spannungscharakteristik aufweist, die im wesentlichen der graphischen Darstellung der Fig. 3 entspricht und die frei von Spannungsumkehrungen über die Tiefe der Beschichtung hinweg ist»

9. Keramisch beschichteter Gegenstand, dadurch gekennzeichnet , daß er nach dem Verfahren eines der Ansprüche Ί bis 3 hergestellt ist.