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Die vorliegende Erfindung bezieht
sich auf einen Wärmesperrüberzug,
der auf die Oberfläche
eines Superlegierungs-Gegenstandes, beispielsweise der Turbinenschaufel
eines Gasturbinentriebwerks, aufgebracht wird, und die Erfindung
bezieht sich weiter auf ein Verfahren zum Aufbringen eines derartigen
Wärmesperrüberzugs.
Insbesondere befaßt
sich die Erfindung mit keramischen Wärmesperrüberzügen.
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Der ständige Bedarf nach erhöhten Betriebstemperaturen
in Gasturbinentriebwerken wurde ursprünglich durch eine Luftkühlung der
Turbinenlaufschaufeln und der Turbinenleitschaufeln und durch die
Entwicklung von Superlegierungen erfüllt, aus denen die Turbinenlaufschaufeln
und die Turbinenleitschaufeln hergestellt wurden, und durch beide
Maßnahmen
wurde die Lebensdauer der Schaufeln erhöht. Ein weiterer Temperaturanstieg
erforderte die Entwicklung von keramischen Überzugsmaterialien, mit denen
die Turbinenlaufschaufeln und die Turbinenleitschaufeln gegenüber der
Hitze isoliert werden, die in den Gasen enthalten ist, welche aus
den Brennkammern austreten, und durch derartige Überzüge konnte wiederum die Lebensdauer der
Turbinenlaufschaufeln und der Turbinenleitschaufeln verlängert werden.
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Es ist nach dem Stand der Technik
bekannt, diese keramischen Überzugsmaterialien
durch ein thermisches Spritzverfahren oder ein Plasma-Spritzverfahren auf
einem geeigneten Verbundüberzug
aufzubringen, beispielsweise einem Verbundüberzug aus einer MCrAlY-Legierung,
der vorher auf dem metallischen Substrat aufgebracht worden war.
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Es ist aus dem Stande der Technik
weiter bekannt, diese keramischen Überzüge durch physikalische Dampfablagerung
auf einem geeigneten Verbundüberzug
aufzubringen, der eine Aluminiumoxid-Grenzschicht aufweist, beispielsweise
einen MCrAlY-Legierungs-Verbundüberzug
oder einen Diffusions-Aluminid-Verbundüberzug,
der auf das metallische Substrat aufgetragen war.
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Es ist aus dem Stand der Technik
weiter bekannt, diese keramischen Überzugsmaterialien durch Plasmaspritzen
oder durch physikalische Dampfablagerungs-Verfahren auf einer Oxidschicht
auf dem metallischen Substrat aufzutragen.
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Die keramischen Wärmesperrüberzüge, die durch physikalische
Dampfablagerungs-Verfahren
aufgebracht sind, haben Vorteile gegenüber keramischen Wärmesperrüberzügen, die
durch Plasmaspritzen aufgetragen wurden. Der Hauptvorteil ist ein
verbesserter thermischer Stoßwiderstand
infolge des Stengelaufbaus des keramischen Wärmesperrüberzugs, der durch physikalische
Dampfablagerungs-Verfahren erzeugt wurde.
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Ein Problem, das mit Wärmesperrüberzügen verknüpft ist,
welche durch physikalische Dampfablagerung erzeugt wurden, besteht
darin, daß sie
unter einer Spallation, d. h. Zertrümmerung, des keramischen Wärmesperrüberzugs
leiden. Eine Spallation des keramischen Wärmesperrüberzugs ist der Verlust des
keramischen Wärmesperrüberzugs
durch Abblättem
von dem Verbundüberzug
infolge zyklischer thermischer Bedingungen. Kürzlich wurde gefunden, daß keramische
Wärmesperrüberzüge, die
von Chromalloy United Kingdom Limited hergestellt wurden, an den
Vorderkantenbereichen und den Hinterkantenbereichen der Turbinenlaufschaufeln
und der Turbinenleitschaufeln oder anderen Bereichen abblätterten,
wo eine schnelle Änderung der
Form des Bauteils vorhanden ist.
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Die
EP 0 937 787 A1 beschreibt einen zum Stande
der Technik gehörigen
keramischen Wärmesperrüberzug,
der durch physikalische Elektronenstrahl-Dampfablagerung aufgebracht wurde. Der
keramische Wärmesperrüberzug hat
Stengelstruktur/Segmente, die durch Spalte getrennt sind. Der keramische
Wärmesperrüberzug wird
auf einem MCrAlY-Verbundüberzug
oder einem intermetallischen Aluminid-Verbundüberzug aufgebracht, und es
wird auf dem keramischen Wärmesperrüberzug ein
weiterer Überzug
abgelagert. Dieser Überzug
ist eine feste Lösung
von Chromoxid und Aluminiumoxid, um einer Korrosion zu widerstehen.
Es findet sich hier jedoch weder eine Diskussion über die
Charakteristiken des keramischen Wärmesperrüberzugs und über Körner mit
Stengelstruktur, noch wird das Verfahren der Aufbringung beschrieben.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde,
einen metallischen Gegenstand mit einem Wärmesperrüberzug zu schaffen, der durch
physikalische Dampfablagerung erzeugt wurde und gegenüber einem
Abblättern
des keramischen Wärmesperrüberzugs
einen höheren
Widerstand aufweist. Der Erfindung liegt weiter die Aufgabe zugrunde,
ein Verfahren zu schaffen, mit dem ein Wärmesperrüberzug durch physikalische
Dampfablagerung aufgebracht wird und dieser Überzug dann einen höheren Widerstand
gegenüber
einem Abblättern des
keramischen Wärmesperrüberzugs
aufweist.
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Demgemäß schafft die vorliegende Erfindung
einen metallischen Gegenstand mit einem Verbundüberzug auf dem metallischen
Gegenstand und mit einem keramischen Wärmesperrüberzug auf dem Verbundüberzug,
wobei der keramische Wärmesperrüberzug eine
Vielzahl von Körnern
mit Stengelstruktur aufweist, die sich im wesentlichen senkrecht
zur Oberfläche
des metallischen Gegenstandes erstrecken, und wobei der keramische
Wärmesperrüberzug folgende
Merkmale aufweist: einen inneren Abschnitt benachbart zum Verbundüberzug,
einen Zwischenabschnitt auf dem inneren Abschnitt und einen äußeren Abschnitt
auf dem Zwischenabschnitt. Der innere Abschnitt weist Körner mit
Stengelstruktur auf, die sich im Querschnitt mit zunehmendem Abstand
von der Oberfläche
des metallischen Gegenstandes vergrößern und Körner mit Stengelstruktur aufweisen,
die in unterschiedlichen Abständen
von der Oberfläche
des metallischen Gegenstandes durch die anderen Körner mit
Stengelstruktur blockiert sind, dadurch gekennzeichnet, daß der äußere Abschnitt
der Körner
mit Stengelstruktur eine im wesentlichen konstante Querschnittsfläche über die
Länge besitzt,
daß jedes
Stengelkorn glatte Außenseiten
besitzt, ohne daß von
diesen Subkörner
vorstehen, und daß jedes
Stengelkorn von benachbarten Stengelkörnern durch einen gleichförmigen Zwischenraum
getrennt ist, um die Spannung/Beanspruchung in den Stengelkörnern zu
vermindern und/oder die Spannung/Beanspruchung zwischen benachbarten
Stengelkörnern
zu vermindern und um dadurch den Widerstand gegenüber einem
Abblättern
des keramischen Wärmesperrüberzugs
zu erhöhen.
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Vorzugsweise besteht der Verbundüberzug aus
einem Aluminium enthaltenden Verbundüberzug auf dem metallischen
Gegenstand und der Aluminium enthaltende Verbundüberzug besitzt eine Aluminiumoxid-Oberflächenschicht,
wobei der keramische Wärmesperrüberzug auf
dieser Aluminiumoxidschicht liegt.
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Der Aluminium enthaltende Verbundüberzug kann
ein MCrAlY-Verbundüberzug
sein, wobei M wenigstens eines der Elemente Kobalt, Eisen und Nickel
oder ein Diffusions-Aluminid-Überzug
ist.
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Vorzugsweise besteht der Verbundüberzug aus
den folgenden Teilen: einem MCrAlY-Verbundüberzug auf dem metallischen
Gegenstand, wobei M wenigstens eines der Elemente Kobalt, Eisen
und Nickel ist; einer mit Platin angereicherten MCrAlY-Schicht auf
dem MCrAlY-Verbundüberzug;
einer Platin-Aluminid-Schicht auf der mit Platin angereicherten
MCrAlY-Schicht, wobei die Platin-Aluminid-Schicht eine Oberflächenschicht
aus Aluminiumoxid aufweist und der keramische Wärmesperrüberzug auf der Aluminiumoxidschicht
angeordnet ist.
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Stattdessen weist der metallische
Gegenstand eine Aluminiumoxid-Oberflächenschicht
auf, und der keramische Wärmesperrüberzug ist
auf der Aluminiumoxidschicht angeordnet.
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Der metallische Gegenstand kann aus
einer Nickel-Superlegierung oder einer Kobalt-Superlegierung bestehen.
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Der metallische Gegenstand kann eine
Turbinenlaufschaufel oder eine Turbinenleitschaufel sein.
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Der keramische Wärmesperrüberzug kann Zirkonoxid aufweisen.
Das Zirkonoxid kann mit Yttriumoxid stabilisiert sein.
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Vorzugsweise beträgt der äußere Abschnitt zwischen 38%
und 67% der Dicke des keramischen Wärmesperrüberzugs. Noch zweckmäßiger ist
es, wenn der äußere Abschnitt
eine Dicke zwischen 40% und 60% der Dicke des keramischen Wärmesperrüberzugs
beträgt.
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Vorzugsweise vergrößert sich
die Breite der keramischen Stengelkörner im äußeren Abschnitt mit einer Rate
gleich oder geringer als 2,0 μm
pro 100 μm
Länge des
keramischen Stengelkorns. Noch zweckmäßiger ist es, wenn die Breite
der keramischen Stengelkömer
im äußeren Abschnitt
sich mit einer Rate vergrößert, die
gleich oder geringer ist als 1,7 μm
pro 100 μm
Länge des
keramischenStengelkorns. Noch zweckmäßiger ist es, wenn die Breite
der keramischen Stengelkömer
im äußeren Abschnitt
mit einer Rate ansteigt, die gleich oder geringer ist als 0,24 μm pro 100 μm Länge des
keramischen Stengelkorns.
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Die vorliegende Erfindung schafft
außerdem
ein Verfahren zum Aufbringen eines keramischen Wärmesperrüberzugs auf einem metallischen
Gegenstand mit den folgenden Schritten: es wird ein Verbundüberzug auf
dem metallischen Gegenstand ausgebildet; es wird ein keramischer
Wärmesperrüberzug auf
dem Verbundüberzug
durch Dampfablagerung aufgetragen, um eine Vielzahl von Stengelkörnern zu
erzeugen, die sich im wesentlichen senkrecht zur Oberfläche des
metallischen Gegenstandes erstrecken, wobei die Dampfablagerung
des keramischen Wärmesperrüberzugs
die folgenden Schritte umfaßt:
es wird ein innerer Abschnitt benachbart zum Verbundüberzug aufgetragen;
es wird eine Zwischenschicht auf dem inneren Abschnitt aufgetragen
und es wird eine äußerer Abschnitt
auf dem Zwischenabschnitt aufgetragen. Der innere Abschnitt weist Stengelkömer auf,
deren Querschnittsfläche
sich mit zunehmendem Abstand von der Oberfläche des metallischen Gegenstandes
vergrößert und
die Stengelkörner
werden in verschiedenen Abständen
von der Oberfläche
des metallischen Gegenstandes durch die anderen Stengelkörner blockiert,
dadurch gekennzeichnet, daß das
Verfahren die folgenden Schritte umfaßt: es wird die Rate der Verdampfung
des Keramikmaterials, die Temperatur des metallischen Gegenstandes
und die Drehzahl des metallischen Gegenstandes während der Dampfablagerung des
keramischen Wärmesperrüberzugs
eingestellt, wobei die Verdampfungsrate des Keramikmaterials 3 bis
5 μm pro
Minute beträgt,
die Temperatur des metallischen Gegenstandes 1000°C bis 1100°C beträgt und die
Drehzahl des metallischen Gegenstandes 15 u/min aufweist und in
dem äußeren Abschnitt
jedes Stengelkorn eine im wesentlichen konstante Querschnittsfläche über die
gesamte Länge
aufweist und jedes Stengelkorn glatte Seiten ohne vorstehende Subkörner besitzt
und jedes Stengelkorn von den benachbarten Stengelkörnern durch
gleichförmige
Zwischenräume
getrennt ist, um die Spannung/Beanspruchung in dem Stengelkorn zu
vermindern und/oder die Spannung/Beanspruchung zwischen benachbarten Stengelkörnern zu
vermindern und um dadurch den Widerstand des keramischen Wärmesperrüberzugs
gegen Abblätterung
zu erhöhen.
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Bei dem Verfahren kann ein Aluminium
enthaltender Verbundüberzug
auf dem metallischen Gegenstand aufgebracht werden, und es kann
eine Aluminiumoxidschicht auf dem Aluminium enthaltenden Verbundüberzug aufgebracht
werden.
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Der Aluminium enthaltende Verbundüberzug kann
aus einer MCrAlY-Legierung bestehen, wobei M wenigstens eines der
Elemente Kobalt, Eisen und Nickel, ein Aluminid oder ein Platin-Aluminid
ist.
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Das Verfahren kann die folgenden
Schritte aufweisen: es wird ein MCrAlY- Verbundüberzug auf dem metallischen
Gegenstand aufgebracht, wobei M wenigstens eines der Elelemente
Kobalt, Eisen und Nickel ist; es wird eine mit Platin angereicherte
MCrAlY-Schicht auf der MCrAlY-Verbundschicht aufgebracht; es wird
eine Platin-Aluminid-Schicht auf der mit Platin angereicherten MCrAlY-Schicht aufgebracht;
es wird eine Aluminiumoxid-Oberflächenschicht auf der Platin-Aluminid-Schicht
aufgebracht.
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Das Verfahren kann den Schritt aufweisen,
eine Aluminiumoxid-Oberflächenschicht
auf dem metallischen Gegenstand aufzubringen.
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Der metallische Gegenstand kann aus
einer Nickel-Superlegierung oder einer Kobalt-Superlegierung bestehen.
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Der metallische Gegenstand kann eine
Turbinenlaufschaufel oder eine Turbinenleitschaufel sein.
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Der keramische Wärmesperrüberzug kann Zirkonoxid, vorzugsweise
Zirkonoxid, stabilisiert mit Yttriumoxid, aufweisen.
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Der keramische Wärmesperrüberzug kann durch physikalische
Dampfablagerung, vorzugsweise durch physikalische Elektronenstrahl-Dampfablagerung,
aufgebracht werden.
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Nachstehend wird die Erfindung anhand
von Ausführungsbeispielen
beschrieben. In der Zeichnung zeigen:
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1 ist
ein schematischer Schnitt durch einen metallischen Gegenstand mit
einem bekannten Wärmesperrüberzug;
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2 ist
ein schematischer Schnitt durch einen metallischen Gegenstand mit
einem erfindungsgemäßen Wärmesperrüberzug;
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3 ist
ein schematischer Schnitt durch einen metallischen Gegenstand mit
einem anderen gemäß der Erfindung
ausgebildeten Wärmesperrüberzug;
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4 ist
eine schematische Schnittansicht eines metallischen Gegenstandes
mit einem weiteren erfindungsgemäß ausgebildeten
Wärmesperrüberzug;
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5 ist
eine schematische Schnittansicht durch einen metallischen Gegenstand
mit einem weiteren erfindungsgemäß ausgebildeten
Wärmesperrüberzug;
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6 ist
eine graphische Darstellung, die eine durchschnittliche Stundenzahl
zeigt, bis eine Abblätterung
des keramischen Wärmesperrüberzugs
erfolgt, aufgetragen gegenüber
der Drehzahl des metallischen Gegenstandes bei einer konstanten
Temperatur und einer konstanten Verdampfungsrate;
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7 ist
eine weitere graphische Darstellung, die die Zahl von Stunden bis
zur Abblätterung
des keramischen Wärmesperrüberzugs
in Abhängigkeit
von der Drehzahl des metallischen Gegenstandes bei konstanter Temperatur
und konstanter Verdampfungsrate zeigt;
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8 ist
eine graphische Darstellung, welche die Breite der keramischen Stengelkörner in
Abhängigkeit
von ihrem Abstand vom Substrat zeigt.
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Die 1 veranschaulicht
den Stand der Technik. Ein Superlegierungsgegenstand 10 ist
mit einem mehrlagigen Wärmesperrüberzug versehen,
der allgemein mit dem Bezugszeichen 12 versehen ist. Der Überzug ist
dargestellt nach vollendeter Herstellung. Der Wärmesperrüberzug 12 besteht
aus einem Verbundüberzug 14 auf
dem Superlegierungssubstrat 10, einer Oxidschicht 16 auf
dem Verbundüberzug 14 und
einem keramischen Wärmesperrüberzug 18 auf
der Oxidschicht 16. Der Verbundüberzug 14 ist allgemein
eine Aluminium enthaltende Legierung, beispielsweise eine MCrAlY-Legierung,
wobei M wenigstens eines der Elemente Nickel, Kobalt oder Eisen
ist oder ein Nickel-Aluminid, ein Kobalt-Aluminid oder ein Platin-Aluminid.
Die Oxidschicht besteht allgemein aus Aluminiumoxid, zusammen mit
anderen Oxiden.
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Der keramische Wärmesperrüberzug 18 besteht
aus einer Vielzahl von keramischen Stengelkörnern 20 und 22,
die sich im wesentlichen senkrecht zur Oberfläche des Superlegierungssubstrats 10 erstrecken. Außerdem ist
dargestellt, daß sämtliche
keramischen Stengelkörner 20 und 22 an
der Oxidschicht 18 ansetzen und im wesentlichen senkrecht
zur Oberfläche
des Superlegierungssubstrats 10 zu wachsen beginnen. Die keramischen
Stengelkörner 20 und 22 wachsen
konkurrierend, und die keramischen Stengelkörner 20 wachsen durch
die volle Dicke des keramischen Wärmesperrüberzugs 18, während die
keramischen Stengelkörner 22 in
verschiedenen Abständen
von der Oxidschicht 16 durch die keramischen Stengelkömer 20 blockiert
sind. So ist ersichtlich, daß die
keramischen Stengelkörner 20 graduell
in ihrer Querschnittsfläche
sich mit zunehmendem Abstand von der Oxidschicht 16 vergrößern. Auch
die Zahl der keramischen Stengelkömer 20 pro Flächeneinheit
ist an der Oberfläche
des Wärmesperrüberzugs 18 beträchtlich
kleiner als die Zahl der keramischen Stengelkörner 20, 22 pro
Einheitsfläche
an der Oberfläche
der Aluminiumoxidschicht 16.
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Weil sich die Fläche der keramischen Stengelkömer 20 mit
zunehmendem Abstand von der Oxidschicht 16 vergrößert, werden
die keramischen Stengelkörner 20 wie
ersichtlich blockiert, so daß nur
ein sehr kleiner Zwischenraum zwischen den keramischen Stengelkörnern 20 besteht
oder überhaupt
kein Zwischenraum mehr vorhanden ist. Es gibt außerdem Subkörner der keramischen Stengelkörner 20 und
Subkörner,
die quer aus den Stengelkörnern 20 vorstehen
und quer und in Längsrichtung
von den Stengelkörnern 20 wachsen.
Die Subkörner
in jedem keramischen Stengelkorn 20 haben nicht alle die
gleiche Kristallstruktur. Die Subkörner, die quer aus den keramischen
Stengelkörnern 20 vorstehen,
werden durch benachbarte keramische Stengelkörner 20 oder die Subkörner blockiert,
die quer von den benachbarten keramischen Stengelkörnern 20 vorstehen.
Die Subkörner,
die quer von den keramischen Stengelkörnern 20 vorstehen,
stören
das Wachstum benachbarter keramischer Stengelkörner 20.
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Es hat sich gezeigt, daß der Widerstand
gegen Abblättern
bei keramischen Wärmesperrüberzügen nach
dem Stand der Technik am Vorderkantenbereich und am Hinterkantenbereich
der Turbinenlaufschaufeln und der Turbinenleitschaufeln nicht so
gut ist und auch dort nicht so gut ist, wo eine rapide Änderung
der Gestalt des Bauteils, beispielsweise mit kleinen Krümmungsradien,
auftritt.
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Der mehrlagige Wärmesperrüberzug 12 wird auf
dem Superlegierungsgegenstand 10 dadurch aufgebracht, daß zunächst ein
MCrAlY-Legierungs-Verbundüberzug 14 durch
Plasmaspritzen oder physikalische Dampfablagerung oder durch Bildung
eines Nickel-Aluminid-Verbundüberzugs 14 durch
Diffusions-Aluminisierung oder Erzeugung eines Platin-Aluminid-Verbundüberzugs 14 durch
mit Platin modifizierte Diffusions-Aluminisierung aufgetragen wird.
Der keramische Wärmesperrüberzug 18 wird
dann auf dem Verbundüberzug 14 durch
physikalische Dampfablagerung, gewöhnlich durch eine physikalische
Elektronenstrahl-Dampfablagerung, aufgetragen. Die Oxidschicht 16 bildet
sich auf dem Verbundüberzug 14 infolge
der Gegenwart von Sauerstoff, während
der Superlegierungsgegenstand 10 in einer Kammer, in der
eine physikalische Elektronenstrahl-Dampfablagerung erfolgt, auf
die Betriebstemperatur erhitzt wird. Der Superlegierungsgegenstand 10 wird
in der Kammer für
die physikalische Elektronenstrahl-Dampfablagerung in den Keramikdämpfen gedreht, um
den keramischen Wärmesperrüberzug 18 zu
erzeugen. Die Temperatur des Superlegierungsgegenstandes 10 wird
auf 1000°C
bis 1100°C
gehalten, und die Ablagerungsrate des Keramikmaterials auf dem Superlegierungsgegenstand 10 beträgt 3 bis
5 μm pro
Minute, und die Drehgeschwindigkeit des Superlegierungsgegenstandes 10 beträgt 6 Umdrehungen
pro Minute.
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In der die Erfindung veranschaulichenden 2 ist ein Teil eines Superlegierungsgegenstandes 30 dargestellt,
der mit einem mehrlagigen Wärmesperrüberzug versehen
ist, welcher allgemein durch das Bezugszeichen 32 gekennzeichnet
ist. Die 2 zeigt den
Zustand unmittelbar nach der Herstellung. Der Wärmesperrüberzug 32 besteht
aus einem Verbundüberzug 34 auf
dem Superlegierungssubstrat 30, einer Oxidschicht 36 auf
dem Verbundüberzug 34 und
einem keramischen Wärmesperrüberzug 38 auf
der Oxidschicht 36. Der Verbundüberzug 34 besteht
allgemein aus einer Aluminium enthaltenden Legierung, beispielsweise einer
MCrAlY-Legierung, wobei M wenigstens eines der Elemente Nickel,
Kobalt oder Eisen ist, einem Nickel-Aluminid, einem Kobalt-Aluminid
oder einem Platin-Aluminid. Die Oxidschicht besteht allgemein aus
Aluminiumoxid, zusammen mit anderen Oxiden.
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Der keramische Wärmesperrüberzug 38 besteht
aus einer Vielzahl keramischer Stengelkörner 40, die sich
im wesentlichen senkrecht zur Oberfläche des Superlegierungssubstrats 30 erstrecken.
Außerdem
ist ersichtlich, daß alle
keramischen Stengelkörner 40,
die von der Oxidschicht 36 ausgehen, im wesentlichen senkrecht
zur Oberfläche
des Superlegierungssubstrats 30 zu wachsen beginnen. Der
keramische Wärmesperrüberzug 38 besteht
aus einem inneren Abschnitt 44 auf der Oxidschicht 36,
einem Zwischenabschnitt 46 auf dem inneren Abschnitt 44 und
aus einem äußeren Abschnitt 48 auf
dem Zwischenabschnitt 46. Die keramischen Stengelkörner 40 wachsen
konkurrierend im inneren Abschnitt 44, aber im Zwischenabschnitt 46 wachsen
die keramischen Stengelkörner 40 progressiv
weniger konkurrierend und im äußeren Abschnitt 48 wachsen
die keramischen Stengelkörner 40 in
einem stetigen Zustand. So wächst
eine größere Zahl
von keramischen Stengelkörnern 40 durch
die volle Dicke des keramischen Wärmesperrüberzugs 38. Demgemäß ist ersichtlich,
daß die
keramischen Stengelkömer 40 im
wesentlichen einen gleichen Querschnitt mit sich vergrößerndem
Abstand von der Oxidschicht im äußeren Abschnitt 48 des
keramischen Wärmesperrüberzugs 38 beibehalten.
Auch die Zahl der keramischen Stengelkömer 40 pro Einheitsfläche ist
an der Oberfläche
des Wärmesperrüberzugs 38 nur
etwas kleiner als die Zahl der keramischen Stengelkörner 40 pro
Einheitsfläche an
der Grenzfläche
zwischen dem Zwischenabschnitt 46 und dem äußeren Abschnitt 48 oder
vorzugsweise ist die Zahl gleich.
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Außerdem ist ersichtlich, daß ein ausgeprägter gleichförmiger Zwischenraum 42 zwischen
den keramischen Stengelkörnern 40 im äußeren Abschnitt 48 des
keramischen Wärmesperrüberzugs 38 vorhanden
ist, und dieser Zwischenraum wird über die volle Dicke des äußeren Abschnitts 48 des
keramischen Wärmesperrüberzugs 38 aufrechterhalten.
Die Subkörner
in jedem keramischen Stengelkorn haben alle die gleiche Kristallstruktur,
und benachbarte keramische Stengellkörner passen gut zusammen und
es gibt keine Subkörner, die
quer von den keramischen Stengelkörnern 40 vorstehen
und von diesen her wachsen. Demgemäß wird das Wachstum der keramischen
Stengelkörner 40 nicht
durch irgendwelche Subkörner
gestört,
die quer von benachbarten keramischen Stengelkörnern 40 vorstehen.
Die keramischen Stengelkörner 40 in
dem äußeren Abschnitt 48 haben
glatte Oberflächen,
die auf benachbarte keramische Stengelkörner 40 gerichtet
sind.
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Es hat sich gezeigt, daß der Widerstand
gegenüber
einer Abblätterung
des keramischen Wärmesperrüberzugs 48 gemäß der Erfindung
besser ist als bei bekannten keramischen Wärmesperrüberzügen, und zwar insbesondere
an den Vorderkantenbereichen und den Hinterkantenbereichen von Turbinenlaufschaufeln und
Turbinenleitschaufeln, aber auch an der Druckseite und der Saugseite
von Turbinenleitschaufeln und Turbinenlaufschaufeln.
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Es wird angenommen, daß dies eine
Folge davon ist, daß die
keramischen Stengelkörner 40 eine
im wesentlichen gleiche Querschnittsfläche mit sich vergrößerndem
Abstand von der Oxidschicht 36 im äußeren Abschnitt 48 haben
und eine Folge der glatten gegenüberstehenden
Oberflächen
der keramischen Stengelkörner 40,
wodurch die innere Spannung/Beanspruchung in jedem keramischen Stengelkorn 40 vermindert und
vorzugsweise minimiert wird und/oder wodurch die Spannung/Beanspruchung
zwischen benachbarten keramischen Stengelkörnern 40 vermindert
oder minimiert wird. Es wird angenommen, daß es die keramischen Stengelkörner 20 mit
sich vergrößernder
Querschnittsfläche
bei sich erhöhendem
Abstand von der Oxidschicht 16 ist und die Subkörner, die
quer von den keramischen Stengelkörnern 20 vorstehen,
was die größere innere Spannung/Beanspruchung
in jedem keramischen Stengelkorn 20 zur Folge hat und/oder
eine größere Spannung/Beanspruchung
zwischen benachbarten keramischen Stengelkörnern 20.
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Es wird angenommen, daß es die
verminderte Spannung/Beanspruchung innerhalb eines jeden keramischen
Stengelkorns 40 und zwischen benachbarten keramischen Stengelkörnern 40 ist,
was den größeren Widerstand
gegenüber
einer Abblätterung
des keramischen Wärmesperrüberzugs 38 verursacht.
Die Spannung/Beanspruchung bei bekannten keramischen Wärmesperrüberzügen wird,
so nimmt man an, verursacht, weil die kleinen Abstände oder
die fehlenden Abstände
zwischen benachbarten keramischen Stengelkörnern und den Subkörnern, die
quer von den keramischen Stengelkörnern vorstehen, eine Störung und
Blockierung der keramischen Stengelkörner verursachen. Bei der vorliegenden
Erfindung haben benachbarte keramische Stengelkömer im äußeren Abschnitt glatte gegenüberliegende
Oberflächen,
die durch einen deutlich erkennbaren gleichförmigen Zwischenraum getrennt
sind und keine Subkörner
aufweisen, die quer von den keramischen Stengelkörnern vorstehen.
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Der mehrlagige Wärmesperrüberzug 32 wird auf
den Superlegierungsgegenstand 30 dadurch aufgebracht, daß zuerst
ein MCrAlY-Legierungs-Verbundüberzug 34 durch
Plasmaspritzen oder physikalische Dampfablagerung aufgetragen wird
oder indem ein Nickel-Aluminid-Verbundüberzug 34 durch Diffusions-Aluminisierung
erzeugt wird oder indem ein Platin-Aluminid-Verbundüberzug 34 durch
mit Platin modifizierte Diffusions-Aluminisierung erzeugt wird.
Dann wird der keramische Wärmesperrüberzug 38 auf
den Verbundüberzug 34 durch
physikalische Dampfablagerung aufgebracht, gewöhnlich durch physikalische
Elektronenstrahl-Dampfablagerung.
Die Oxidschicht 36 bildet sich auf dem Verbundüberzug 34,
während
der Superlegierungsgegenstand 30 auf seine Betriebstemperatur
in Gegenwart von Sauerstoff in einer Kammer für eine physikalische Elektronenstrahl-Dampfablagerung erhitzt
wird. Der Superlegierungsgegenstand 30 wird in der Kammer
für die
physikalische Elektronenstrahl-Dampfablagerung gedreht, um den keramischen
Wärmesperrüberzug 38 zu
erzeugen. Die Temperatur des Superlegierungsgegenstandes 30 wird
auf 1000°C
bis 1100°C gehalten,
und die Ablagerungsrate des Keramikmaterials auf dem Superlegierungsgegenstand 30 beträgt 3 bis
5 μm pro
Minute, und die Drehgeschwindigkeit des Superlegierungsgegenstandes 30 beträgt 15 u/min.
Die keramischen Ablagerungen auf der Aluminiumoxidschicht 36 und
anfänglich
die keramischen Stengelkörner 40 wachsen
konkurrierend im inneren Abschnitt 44. Danach wachsen die
keramischen Stengelkörner 40 weniger
konkurrierend in dem Zwischenabschnitt 46 und schließlich wachsen
die keramischen Stengelkömer 40 im äußeren Abschnitt 48 mit
einer im wesentlichen gleichförmigen
Querschnittsfläche.
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3 veranschaulicht
ein weiteres Ausführungsbeispiel
der Erfindung. Ein Superlegierungsgegenstand
50 ist mit
einem mehrlagigen Wärmesperrüberzug versehen,
der allgemein mit dem Bezugszeichen
52 versehen ist. Die
Zeichnung zeigt den fertig montierten Überzug. Der Wärmesperrüberzug
52 besteht
aus einem Verbundüberzug
54 auf
dem Superlegierungssubstrat
50, einer Oxidschicht
56 auf
dem Verbundüberzug
54 und
einem keramischen Wärmesperrüberzug
58 auf
der Oxidschicht
56. Der Verbundüberzug
54 ist eine Aluminium
enthaltende Legierung, beispielsweise ein MCrAlY-Legierungsübezug
60,
wobei M wenigstens eines der Elemente Nickel, Kobalt oder Eisen
ist, in Verbindung mit einer mit Platin angereicherten MCrAlY-Schicht
62 und
einer Platin-Aluminidschicht
64, wie dies im einzelnen
in der europäischen
Patentanmeldung
EP 0
718 419 A beschrieben ist. Die Oxidschicht
56 besteht
allgemein aus Aluminiumoxid.
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Der keramische Wärmesperrüberzug 58 ist ähnlich aufgebaut
wie jener, der unter Bezugnahme auf 2 beschrieben
wurde und er weist wiederum keramische Stengelkömer 66 auf. Der keramische
Wärmesperrüberzug 58 besteht
aus einem inneren Abschnitt 65, einem Zwischenabschnitt 67 und
einem äußeren Abschnitt 69.
Die keramischen Stengelkörner 66 haben
im wesentlichen die gleiche Querschnittsfläche über die Dicke des äußeren Abschnitts 69.
Auch die Zahl der keramischen Stengelkörner 66 pro Einheitsfläche an der Oberfläche des
Wärmesperrüberzugs 58 ist
nur etwas kleiner als die Zahl der keramischen Stengelkörner 66 pro
Einheitsfläche
an der Grenzfläche
zwischen dem Zwischenabschnitt 67 und dem äußeren Abschnitt 69, oder
vorzugsweise ist die Zahl gleich. Es werden auch ausgeprägte gleichförmige Zwischenräume 68 zwischen
den keramischen Stengelkörnern 66 gebildet,
und es gibt keine Subkörner,
die quer von den keramischen Stengelkörnern 66 vorstehen.
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Der Verbundüberzug 54 wird außerdem gebildet
durch Ablagerung eines MCrAlY- Legierungsverbundüberzugs,
auf dem dann Platin abgelagert wird, und schließlich erfolgt eine Wärmebehandlung,
um das Platin in die MCrAlY-Legierung hinein diffundieren zu lassen.
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4 veranschaulicht
ein weiteres Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung. Hier ist ein Teil eines Superlegierungsgegenstandes
70 dargestellt,
der mit einem mehrlagigen Wärmesperrüberzug versehen ist,
welcher allgemein mit dem Bezugszeichen
72 bezeichnet ist.
Die Figur zeigt den fertigen Überzug.
Der Wärmesperrüberzug
72 umfaßt einen
Verbundüberzug
74 auf
dem Superlegierungssubstrat
70, eine Oxidschicht
76 auf
dem Verbundüberzug
74 und
einen keramischen Wärmesperrüberzug
78 auf
der Oxidschicht
76. Der Verbundüberzug
74 ist allgemein
eine mit Platin angereicherte Gamma-Schicht und eine mit Platin
angereicherte Gamma-Prime-Schicht auf der Superlegierung, wie dies
im einzelnen in der europäischen
Patentanmeldung
EP 0
718 420 A beschrieben ist. Die Oxidschicht
76 besteht
allgemein aus Aluminiumoxid.
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Der keramische Wärmesperrüberzug 78 ist ähnlich jenem,
wie dieser in 2 beschrieben
wurde und besteht wiederum aus keramischen Stengelkörnern 80.
Der keramische Wärmesperrüberzug 78 weist
einen inneren Abschnitt 84, einen Zwischenabschnitt 86 und
einen äußeren Abschnitt 88 auf.
Die keramischen Stengelkörner 80 haben
im wesentlichen die gleiche Querschnittsfläche über die Dicke des äußeren Abschnitts 88. Auch
die Zahl der keramischen Stengelkörner 80 pro Einheitsfläche an der
Oberfläche
des Wärmesperrüberzugs 78 ist
nur geringfügig
kleiner und vorzugsweise gleich der Zahl der keramischen Stengelkömer 80 pro Einheitsfläche an der
Grenzfläche
zwischen dem Zwischenabschnitt 86 und dem äußeren Abschnitt 88.
Auch der ausgeprägte
gleichförmige
Zwischenraum 82 ist zwischen den keramischen Stengelkörnern 80 ausgebildet,
und es gibt keine Subkörner,
die quer von den keramischen Stengelkörnern 80 vorstehen.
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Der Verbundüberzug 74 wird dadurch
erzeugt, daß Platin
auf der Superlegierung abgelagert wird und dann eine Wärmebehandlung
erfolgt, damit das Platin in die Superlegierung hinein diffundieren
kann.
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5 veranschaulicht
ein weiteres Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung. Hier ist ein Teil eines Superlegierungsgegenstandes 90 dargestellt,
der mit einem mehrlagigen Wärmesperrüberzug versehen ist,
der allgemein mit dem Bezugszeichen 92 bezeichnet wurde.
Die Zeichnung zeigt den fertig aufgetragenen Überzug. Der Wärmesperrüberzug 92 weist
einen Verbundüberzug 94 auf
dem Superlegierungssubstrat 90 und einen keramischen Wärmesperrüberzug 96 auf
dem Verbundüberzug 94 auf.
Der Verbundüberzug 94 besitzt
eine Oxidschicht, allgemein aus Aluminiumoxid.
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Der keramische Wärmesperrüberzug 96 ist jenem ähnlich,
wie er in 2 beschrieben
wurde und er weist wiederum keramische Stengelkörner 98 auf. Der keramische
Wärmesperrüberzug 96 besteht
aus einem inneren Abschnitt 102, einem Zwischenabschnitt 104 und
einem äußeren Abschnitt 106.
Die Querschnittsfläche
der keramischen Stengelkörner 98 verbleibt über die
Dicke des äußeren Abschnitts 106 im
wesentlichen gleich. Auch die Zahl der keramischen Stengelkömer pro
Einheitsfläche
ist an der Oberfläche
des Wärmesperrüberzugs 96 nur
etwas kleiner als und vorzugsweise gleich der Zahl der keramischen
Stengelkörner 98 pro Einheitsfläche an der
Grenze zwischen dem Zwischenabschnitt 104 und dem äußeren Abschnitt 106.
Auch der gleichförmige
Zwischenraum 100 ist ausgeprägt gebildet zwischen den keramischen
Stengelkörnern 98,
und es gibt keine Subkörner,
die quer von den keramischen Stengelkörnern 98 vorstehen.
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Der Verbundüberzug 94 wird durch
Oxidation des Superlegierungsgegenstandes 90 erzeugt.
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In 6 ist
die durchschnittliche Zahl von Stunden bis zur Abblätterung
des keramischen Wärmesperrüberzugs
gegenüber
der Drehzahl des Superlegierungsgegenstandes bei einer konstanten
Temperatur von 1000°C
bis 1100°C
dargestellt und bei einer konstanten Ablagerungsrate des Keramikmaterials
auf dem Superlegierungsgegenstand mit 3 bis 5 μm pro Minute während der
Aufbringung des Wärmesperrüberzugs.
Bei dem Versuch wurden Beispiele von Wärmesperrüberzügen bei konstanter Temperatur
und bei konstanter Ablagerungsrate, aber bei unterschiedlichen Drehzahlen
aufgetragen und im Hinblick auf einen Abblätterungswiderstand überprüft. Es ist
ersichtlich, daß bei
einer Drehzahl von 15 u/min die durchschnittliche Zahl von Stunden
bis zum Abblättern
des keramischen Wärmesperrüberzugs
am größten ist
für die
Vorderkante, die Saugseite und die Druckseite der Turbinenlaufschaufel
oder Turbinenleitschaufel. Die Tabelle 1 zeigt die durchschnittliche
Stundenzahl bis zur Abblätterung
bei 6 u/min, 15 u/min, 30 u/min und 45 u/min an der Vorderkante LE, der
Druckseite PS und der Saugseite SS einer Turbinenlaufschaufel, was
sich auch aus 6 ergibt.
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TABELLE
1
Durchschnittliche Stundenzahl bis zur Abblätterung
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Die keramischen Wärmesperrüberzüge, die bei 6 u/min und 15
u/min bei einer konstanten Temperatur von 1000°C bis 1100°C und einer Ablagerungsrate
von 3 bis 5 μm
pro Minute erzeugt waren, wurden überprüft unter Benutzung einer Niederspannungs-Elektronenabtast-Mikroskopie,
um Mikrobilder zu erzeugen. Drei Linien wurden über die Mikrobilder bei unterschiedlichen
Pegeln im keramischen Wärmesperrüberzug gezogen, und
die Durchschnittsbreite der keramischen Stengelkörner wurde auf jeder Linie
gemessen. Eine erste Linie wurde bei 162 μm von der Oxidoberfläche entfent
gezogen, eine zweite Linie wurde bei 100 μm von der Oxidoberfläche entfernt
gezogen und eine dritte Linie wurde in einer Entfernung von 54 μm von der
Oxidoberfläche gezogen.
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Die Durchschnittsbreite der keramischen
Stengelkörner
für jede
der drei Linien des keramischen Wärmesperrüberzugs, abgelagert bei 6 u/min
und 15 u/min sind in Tabelle 2 dargestellt.
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TABELLE
2
Durchschnittsbreite der keramischen Stengelkörner Mikrometer
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Dies demonstriert die Tatsache, daß die Durchschnittsbreite
der keramischen Stengelkömer
in dem keramischen Wärmesperrüberzug über den äußeren Abschnitt
des keramischen Wärmesperrüberzugs
im wesentlichen gleich bleibt, und die keramischen Stengelkörner haben
gemäß der Erfindung
eine gleichmäßige Querschnittsfläche über den äußeren Bereich
des keramischen Wärmesperrüberzugs
bei Abständen
von mehr als 100 μm
von der Oberfläche
des Verbundüberzuges
entfernt. Demgemäß liegen
der Zwischenabschnitt und der innere Abschnitt in einem Abstand
von weniger als 100 μm
von der Oberfläche
des Aluminiumoxid entfernt. Die Grenzfläche zwischen dem Zwischenabschnitt
und dem äußeren Abschnitt
liegt zwischen 54 und 100 μm
und demgemäß zwischen
33 und 62% der Dicke des keramischen Wärmesperrüberzugs. Der äußere Abschnitt
liegt daher zwischen 38% und 67% der Dicke des keramischen Wärmesperrüberzugs.
Die Zahl der keramischen Stengelkörner im keramischen Wärmedämmüberzug nimmt
mit zunehmendem Abstand von der Oberfläche des Verbundüberzugs
beim Stande der Technik ab, und die Stengelkörner haben eine sich mit zunehmendem
Abstand von der Oberfläche
der Verbundlegierung vergrößerende
Querschnittsfläche.
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Die Durchschnittsbreite der keramischen
Stengelkömer
steigt mit der Rate von 0,24 μm
pro 100 μm Länge des
keramischen Stengelkorns zwischen 100 und 162 μm von der Oberfläche des
Verbundüberzuges bei
dem keramischen Wärmesperrüberzug an,
der mit 15 u/min aufgetragen wurde. Die Durchschnittsbreite der
keramischen Stengelkömer
steigt mit einer Rate von 2,5 μm
pro 100 μm
Länge des
keramischen Stengelkorns zwischen 100 und 162 μm von der Oberfläche des
Verbundüberzuges
bei dem keramischen Wärmesperrüberzug an,
der mit 6 u/min aufgetragen wurde.
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Demgemäß ergibt sich aus der Tabelle
2, daß die
Anstiegsrate der Breiten der keramischen Stengelkörner zwischen
neun und zehn mal größer ist
für den
keramischen Wärmesperrüberzug,
der bei 6 u/min abgelagert wurde als die Breiten der keramischen
Stengelkömer,
die bei 15 u/min zwischen 100 und 160 μm von der Oberfläche des
Substrats abgelagert wurden.
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Die Druckoberfläche und die Saugoberfläche von
Turbinenlaufschaufeln, die mit keramischen Wärmesperrüberzügen versehen sind, welche bei
6 u/min und 15 u/min abgelagert sind, wurden einer Röntgenstrahlbeugung
ausgesetzt, um die Breite der Röntgenstrahl-Beugungsspitzen
zu bestimmen. Die Breite der Röntgenstrahl-Beugungsspitzen
ist ein Maß der
Beanspruchung innerhalb der Struktur des keramischen Wärmesperrüberzugs.
Je größer die
Breite der Röntgenstrahl-Beugungsspitze,
umso größer das
Korn.
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Die Breite der 511- und 620-Röntgenstrahl-Beugungsspitzen
auf der Druckoberfläche
des keramischen Wärmesperrüberzugs,
abgelagert bei 6 u/min und 15 u/min, ist in Tabelle 3 dargestellt.
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Aus den Röntgenstrahl-Beugungsspitzen
ist ersichtlich, daß die
Beanspruchung in dem keramischen Wärmesperrüberzug, der bei 6 u/min abgelagert
wurde, größer ist
als die Beanspruchung in dem keramischen Wärmesperrüberzug, der bei 15 u/min abgelagert
wurde.
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7 zeigt
die minimale und maximale Stundenzeit bis zum Abblättern des
keramischen Wärmesperrüberzugs,
aufgetragen über
der Drehzahl des Superlegierungsgegenstandes, der bei konstanter
Temperatur von 1000°C
bis 1100°C
gedreht und mit einer konstanten Ablagerungsrate des Keramikmaterials
auf dem Superlegierungsgegenstand mit 3 bis 5 μm pro Minute mit dem keramischen
Wärmesperrüberzug beschichtet wurde.
Bei der Prüfung
wurden Turbinenschaufeln der Superlegierung MAR-M002 mit einem Platin-Aluminid-Verbundüberzug durch
Platin-Aluminisierung versehen und ein Oxid wurde auf dem Platin-Aluminid
aufgetragen. Beispiele von Wärmesperrüberzügen wurden
bei konstanter Temperatur und bei konstanter Ablagerungsrate mit
verschiedenen Drehzahlen beschichtet. Diese Muster wurden im Hinblick
auf den Abblätterungswiderstand
an den Vorderkanten untersucht. Es ist deutlich ersichtlich, daß bei einer
Vorderkante einer Turbinenlaufschaufel oder einer Turbinenleitschaufel
die minimale und die maximale Stundenzahl bis zum Abblättem des
keramischen Wärmesperrüberzugs
am größten sind,
wenn der keramische Wärmesperrüberzug bei 15
u/min abgelagert wird. Tabelle 4 zeigt die minimale und maximale
Stundenzahl bis zum Abblättern
bei 2 u/min, 6 u/min, 15 u/min, 30 u/min und 60 u/min bei einer
Vorderkante einer Turbinenlaufschaufel, und diese Werte sind in 7 dargestellt.
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TABELLE
4
Betriebsstunden bis zum Abblättern an der Vorderkante (LE)
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Die Durchschnittsbreite der keramischen
Stengelkörner
auf der Saugseite (SS) des keramischen Wärmesperrüberzugs bei 50, 100, 150 und
200 μm von
der Oberfläche
des Substrats entfernt wurde bei keramischen Wärmesperrüberzügen gemessen, die mit 6 u/min
und 15 u/min abgelagert wurden, und dies ist in Tabelle 5 dargestellt.
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TABELLE
5
Durchschnittsbreite der keramischen Stengelkörner Mikrometer
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Dies demonstriert auch die Tatsache,
daß die
Durchschnittsbreite der keramischen Stengelkörner in dem keramischen Wärmesperrüberzug im
wesentlichen gleichförmig über dem äußeren Abschnitt
des keramischen Wärmesperrüberzugs
verbleibt, und die keramischen Stengelkörner sind im Querschnitt im
wesentlichen gleich über
dem äußeren Abschnitt
des Wärmesperrüberzugs
für Abstände größer als
150 μm von
der Oberfläche
des erfindungsgemäßen Verbundüberzugs
entfernt. So liegen der Zwischenabschnitt und der innere Abschnitt
in Entfernungen, die weniger als 150 μm von der Oberfläche der
Aluminiumoxidschicht entfernt sind. Die Grenzfläche zwischen dem Zwischenabschnitt
und dem äußeren Abschnitt
liegt zwischen 100 und 150 μm
und demgemäß zwischen
40% und 60% der Dicke des keramischen Wärmesperrüberzugs. Der äußere Abschnitt
liegt daher zwischen 40% und 60% der Dicke des keramischen Wärmesperrüberzugs.
Die Zahl der keramischen Stengelkörner in dem keramischen Wärmesperrüberzug sinkt
mit zunehmendem Abstand von der Oberfläche des Verbundüberzuges
beim Stand der Technik, und die Stengelkörner haben eine sich vergrößerende
Querschnittsfläche
mit zunehmendem Abstand von der Oberfläche des Verbundüberzugs.
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Die Durchschnittsbreite der keramischen
Stengelkömer
steigt mit einer Rate von 1,7 μm
pro 100 μm Länge des
keramischen Stengelkorns zwischen 150 und 250 μm von der Oberfläche des
Substrats bei dem keramischen Wärmesperrüberzug an,
der bei 15 u/min abgelagert wurde. Die Durchschnittsbreite der keramischen
Stengelkörner
steigt mit der Rate von 6,44 μm
pro 100 μm
Länge der
keramischen Stengelkörner
zwischen 150 und 250 μm
von der Oberfläche
des Substrats bei dem keramischen Wärmesperrüberzug an, der mit 6 u/min
abgelagert wurde.
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So ist aus der Tabelle 5 erkennbar,
daß die
Rate im Ansteigen der Breite der keramischen Stengelkörner zwischen
drei und fünf
mal größer ist
für den
keramischen Wärmesperrüberzug,
der mit 6 u/min aufgetragen wurde als jener, der mit 15 u/min zwischen
150 und 250 μm
von der Oberfläche
des Substrats aufgetragen wurde.
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8 ist
eine graphische Darstellung, welche die Breite der keramischen Stengelkörner in
Abhängigkeit
von dem sich vergrößerenden
Abstand von der Oberfläche
der Aluminiumoxidschicht zeigt. Die Kurve X zeigt die keramischen
Stengelkörner
gemäß der vorliegenden
Erfindung, und die Kurve Y zeigt die keramischen Stengelkörner gemäß dem Stande
der Technik.
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Demgemäß ist es notwendig, keramische
Stengelkörner
zu erzeugen, die eine im wesentlichen gleichförmige Querschnittsfläche über ihre
Länge im äußeren Bereich
des keramischen Wärmesperrüberzugs
aufweisen, die glatte Oberflächen
besitzen und die einen gleichförmigen
Zwischenraum gegenüber
benachbarten keramischen Stengelkörnern aufweisen, um die Spannung/Beanspruchung
zu minimieren und den Abblätterungswiderstand
des keramischen Wärmesperrüberzugs
zu erhöhen.
Dies kann dadurch erreicht werden, daß die Temperatur des Gegenstandes,
die Verdampfungsrate des Keramikmaterials und die Drehzahl des Gegenstandes
eingestellt werden. Das vorstehende Beispiel zeigt, daß durch
Aufrechterhaltung der Verdampfungsrate und durch Konstanthalten
der Temperatur die Drehgeschwindigkeit eingestellt werden sollte,
bis die erforderliche keramische Stengelkornstruktur erreicht ist.
Es kann in gleicher Weise möglich
sein, die gleiche keramische Kornstruktur dadurch zu erhalten, daß die Verdampfungsrate
und die Drehzahl konstant gehalten werden und daß die Temperatur eingestellt
wird oder indem die Temperatur und die Drehgeschwindigkeit konstant gehalten
werden und die Verdampfungsrate eingestellt wird.
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Es ist wichtig, daß die Temperatur
des Gegenstandes oder der Komponente die Rate des Aufbringens von
Keramik auf den Gegenstand oder die Komponente und die Drehgeschwindigkeit
des Gegenstandes oder der Komponente derart ausgeglichen sind, daß die keramischen
Stengelkörner
mit einer gleichförmigen
Querschnittsfläche über ihre
Länge wachsen,
wobei glatte Oberflächen
gebildet werden und ein ausgeprägter gleichförmiger Zwischenraum
zwischen benachbarten keramischen Sterigelkörnern gebildet wird. Die Rate des
Aufbringens des Keramikmaterials wird als Ablagerungsrate bezeichnet.
Die Rate der Ablagerung wird durch die Verdampfungsrate des Keramikmaterials
bestimmt. Demgemäß werden
die Temperatur des Gegenstandes, die Ablagerungsrate und die Drehgeschwindigkeit
des Gegenstandes derart eingestellt, daß die keramischen Stengelkömer mit
einer gleichförmigen
Querschnittsfläche über ihre
Länge wachsen
und eine glatte Oberfläche
gebildet wird, wobei ein ausgeprägter
gleichförmiger
Zwischenraum zwischen benachbarten keramischen Stengelkörnern gebildet
wird.
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Es hat sich auch gezeigt, daß, nachdem
die keramischen Stengelkörner
sich gebildet und mit im wesentlichen gleichförmiger Querschnittsfläche zu wachsen
begonnen haben, es möglich
ist, die Drehgeschwindigkeit des Gegenstandes zu vermindern und
dennoch die gewünschte
keramische Stengelkornstruktur zu erhalten. Es wird angenommen,
daß dies
die Bedingungen an den anfänglichen Stufen
der Ablagerung des Keramikmaterials sind, was wichtig ist zur Bestimmung
der endgültigen
keramischen Stengelkornstruktur.
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Die durchschnittliche Breite der
keramischen Stengelkörner
kann sich ändern
in Abhängigkeit
von der Position auf der Oberfläche
des metallischen Gegenstandes. Im Falle einer metallischen Turbinenlaufschaufel haben
die keramischen Stengelkömer
die größte Breite
an der Vorderkante und die kleinste Breite an der Druckseite und
eine mittlere Breite auf der Saugseite.
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Die Erfindung wurde vorstehend unter
Bezugnahme auf eine physikalische Dampfablagerung beschrieben. Es
ist jedoch auch möglich,
die gleiche Technik bei einer chemischen Dampfablagerung anzuwenden
und eine chemische Dampfverbrennungs-Ablagerung zu benutzen, wie
dies in der internationalen Patentanmeldung WO97/21848A beschrieben
ist, die am 19. Juni 1997 veröffentlicht
wurde.
