DE69810401T2

DE69810401T2 - Aluminid/MCrAlY Beschichtungssystem

Info

Publication number: DE69810401T2
Application number: DE69810401T
Authority: DE
Inventors: Nick S. Dushane; Honick, Jr.; William J. Shriver; Burce M. Warnes
Original assignee: Howmet Research Corp
Current assignee: Howmet Corp
Priority date: 1997-08-14
Filing date: 1998-07-28
Publication date: 2003-10-30
Anticipated expiration: 2018-07-29
Also published as: EP0897996B1; DE69810401D1; EP0897996A1; US6129991A; JPH11172463A

Description

Die Erfindung betrifft ein Aluminid-überschichtetes MCrAlY-Beschichtungssystem auf einem Substrat und ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Beschichtungssystems; im Besonderen betrifft die Erfindung derartige Beschichtungssysteme für Superlegierungssubstrate.
Das US-Patent 4 080 486 beschreibt ein Schutzschichtsystem für Nickelbasis- und Cobaltbasis-Superlegierungssubstrate, so etwa für die hohen Temperaturen ausgesetzten Turbinenlauf- und -leitschaufeln von Gasturbinentriebwerken. Das patentierte Beschichtungssystem umfasst eine Überzugsbeschichtung vom Typ MCrAlY, wobei M für ein Element steht, ausgewählt aus der aus Eisen, Nickel und Cobalt bestehenden Gruppe, welche nach dem Einpackzementierverfahren aluminiert wird, um die Korrosions- und Oxidationsbeständigkeit des beschichteten Substrats zu erhöhen.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt in der Bereitstellung einer Gasturbinentriebwerkskomponente mit einem überschichteten MCrAlY-Beschichtungssystem mit wesentlich verbesserter Hochtemperaturoxidationsbeständigkeit sowie darin, ein Verfahren zum Versehen eines Substrates mit einem derartigen Beschichtungssystem vorzuschlagen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Turbinentriebwerkskomponente nach Anspruch 1 bzw. das Verfahren nach Anspruch 13 gelöst.
Mitteis der vorliegenden Erfindung wird die Hochtemperaturoxidationsbeständigkeit eines Aluminid-diffusionsüberschichteten MCrAlY-Beschichtungssystems durch Überaluminieren mittels chemischer Abscheidung aus der Gasphase (CVD) der Beschichtung vom MCrALY-Typ unter CVD-Bedingungen, welche eine auswärts gewachsene Aluminid-Überschicht auf der MCrAlY-Beschichtung erzeugen, stark erhöht.
Die WO 96/34130 offenbart eine beschichtete Gasturbinentriebwerkskomponente, welche aufweist: ein Substrat, eine erste Beschichtung vom Typ MCrAlY, eine Diffusions-Aluminid-Schicht und eine äußere Keramikschicht als Wärmebarrierebeschichtung. Entsprechend den Lehren dieses Dokuments besteht der alleinige Zweck der Aluminid-Schicht darin, als Bindeschicht zur Bindung der Keramikschicht an die erste Beschichtung vom MCrAlY-Typ und das Substrat zu wirken. Ferner lehrt dieses Dokument, dass bei diesem bekannt gewordenen Beschichtungssystem die Aluminid-Schicht eigentlich unnötig, nicht einmal wünschenswert, ja sogar nachteilig ist, aber ein kaum vermeidbares Nebenprodukt des Prozesses des Aufbringens einer Aluminid- Schicht auf eine Innenwandung der Komponente darstellt (siehe Seite 10, Zeilen 26 bis 30 in Kombination mit Seite 11, Zeilen 19 bis 24). Ferner offenbart dieses Dokument nur, dass die Aluminid-Schicht auf der Beschichtung vom MCrAlY-Typ durch Gasphasenaluminierung gebildet werden kann, was einen aus der Vielzahl von Gasphasenprozessen, die verschiedene Aluminid- Beschichtungen erzeugen können, umfassen kann, und es findet sich keine Lehre bezüglich der Verwendung eines bestimmten Aluminierungsprozesses und/oder bezüglich der Erzielung einer wesentlich verbesserten Oxidationsbeständigkeit eines Beschichtungssystems, welches keine keramische Wärmebarriereschicht aufweist.
Bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Triebwerkskomponente bzw. des erfindungsgemäßen Verfahrens, in einem oder mehreren der Ansprüche 2, 3 und 14 bis 16 definiert, zeigen eine noch weiter verbesserte Hochtemperaturoxidationsbeständigkeit. In Einklang mit diesem Aspekt der vorliegenden Erfindung zeigt die auf der MCrAlY-Beschichtung gebildete Diffusions-Aluminid-Überschichtung verminderte Konzentrationen an Fremdverunreinigungen wie S und P und anderen. Die CVD-Aluminierungsbedingungen beinhalten eine Substratbeschichtungstemperatur von mindestens ca. 1000ºC und ein hochreines Beschichtungsgas, umfassend eine Mischung von Wasserstoff- und Aluminiumtrichlorid-Gasen, wobei derartige Bedingungen wirksam sind, die Konzentrationen an Fremdverunreinigungen wie S und P in dem aluminierten MCrAlY-Bereich des Beschichtungssystems zu vermindern. Die Aluminid-Diffusionsüberschichtung weist bevorzugt eine Konzentration an Schwefel und Phosphor auf, die ca. 50% kleiner als die Schwefel- und Phosphorkonzentrationen der unten liegenden MCrAlY-Beschichtung ist.
Die WO 96/13622 (welche der US-A-5 658 614 entspricht) offenbart ein Verfahren zum Verbessern der Oxidationsbeständigkeit einer auf einem Nickelbasis-Superlegierungssubstrat gebildeten Platinmodifizierten Aluminid-Beschichtung. Dieses bekannt gewordene Verfahren umfasst das Bereitstellen einer Platinschicht auf dem Substrat, Erwärmen des Substrats auf eine Temperatur von mindestens ca. 1000ºC, Bilden eines hochreinen Beschichtungsgases, welches Wasserstoff und Aluminiumtrichlorid umfasst, und Kontaktieren des erwärmten Substrats mit dem Beschichtungsgas, um eine auswärts gewachsene, einphasige Platin-modifizierte Aluminid-Beschichtung zu bilden, welche im Vergleich zu einer bei einer niedrigeren Temperatur gebildeten Platinmodifizierten Aluminid-Beschichtung verminderte Konzentrationen eines Substrat-Substitutionslegierungselementes und/oder eines oberflächenaktiven Fremdelementes, ausgewählt aus B, P und/oder S. in der Beschichtung aufweist. Dementsprechend lehrt die WO 96/13622, das mit der Platinschicht versehene Substrat direkt zu beschichten; es wird nicht offenbart oder vorgeschlagen, eine Aluminidüberschicht über eine Beschichtung vom MCrAlY-Typ zu legen.
Eine Ausführungsform der Erfindung sieht ein CVD-Aluminieren eines MCrAlYbeschichteten Substrats ohne eine Platinschicht auf der MCrAlY-Überzugsbeschichtung vor. Eine andere Ausführungsform der Erfindung sieht ein CVD- Aluminieren eines Platin-beschichteten MCrAlY-beschichten Substrats ohne Vordiffusion des Platins vor, um eine Platin-modifizierte Aluminid-Diffusionsüberschichtung auf der MCrAlY-Beschichtung zu bilden.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung kann zur Bildung eines CVD-Aluminid-diffusionsüberschichteten MCrAlY-Beschichtungssystem auf einem Äußeren eines Substrats wie Superlegierungs-Turbinenlauf- oder -leitschaufeln Anwendung finden. Eine weitere Ausführungsform der Erfindung kann zur Bildung einer CVD-Aluminid-Diffusionsbeschichtung auf einem Inneren des Substrats, insbesondere zur gleichzeitigen Bildung einer derartigen Beschichtung auf innenliegenden Kühlkanälen des Substrats, Verwendung finden.
Weitere bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Ansprüchen 4 bis 12 und 17 bis 20 definiert.
Die Aufgaben und Vorzüge der Erfindung werden anhand der nachfolgenden Detailbeschreibung und zeichnerischen Darstellung noch näher erläutert; in der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Beschichtungssystems, und
Fig. 2 einen Graphen, der im Vergleich die zyklische Oxidationsbeständigkeit bei 2012ºF (1100ºC) von MDC-210- und MDC-150L-Beschichtungssystemen in Einklang mit der vorliegenden Erfindung und anderen Beschichtungssystemen, welche mit MDC-15 und MDC-51 bezeichnet sind und außerhalb der Erfindung liegen, zeigt.

DETAILBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Eine Ausführungsform der Erfindung betrifft das CVD-Überaluminieren einer Überzugsbeschichtung vom Typ MCrAlY unter CVD-Bedingungen, welche eine auswärts gewachsene Aluminid-Überschicht auf der MCrAlY-Beschichtung erzeugen, wobei die Diffusions-Aluminid-Überschichtung verminderte Konzentrationen an Fremdverunreinigungen wie S und P, welche die Oxidationsbeständigkeit abträglich beeinflussen, aufweist. Andere derartige Fremdverunreinigungen können Bor und Refraktärelemente wie W, Mo und Ti umfassen. Die CVD-Bedingungen werden so kontrolliert, dass die Konzentration von derartigen Fremdverunreinigungen, z. B. S und P, in dem aluminierten MCrAlY-Überzugsbeschichtungsbereich des Beschichtungssystems auf - nur als Beispiel - 20 ppm oder weniger vermindert wird.
Ein beispielhaftes Beschichtungssystem in Einklang mit einer Ausführungsform der Erfindung ist schematisch in Fig. 1 dargestellt. Das Beschichtungssystem umfasst eine erste Beschichtung 10, welche als MCrAlY-Beschichtung bezeichnet wird, und eine Aluminid-Diffusionsüberschichtung 12, welche in situ auf der ersten Beschichtung 10 gebildet ist und eine auswärts gewachsene Additivschicht 12a und eine Diffusionszone 12b nahe der MCrAlY-Beschichtung 10 aufweist. Die erste Beschichtung 10 wird als Beispiel zum Zwecke der Veranschaulichung und ohne hierauf beschränkt zu sein, als MCrAlY-Beschichtung bezeichnet.
Allgemein besteht die MCrAlY-Beschichtung 10 im Wesentlichen aus Chrom, Aluminium, einem reaktiven Element, ausgewählt aus der aus Yttrium (Y), Seltenerd-Elementen wie Ce und La und anderen reaktiven Elementen wie Si, Hf, Zr bestehenden Gruppe, und einem Element M, wobei M auswählt ist aus Nickel und/oder Cobalt und/oder Eisen. Die MCrAlY-Beschichtung 10 besteht typisch im Wesentlichen aus - in Gewichtsprozent - 14% bis 35% Cr, 4% bis 30% Al, 0,1% bis 3% Y, Seltenerd-Elementen wie Ce und/oder La und/oder einem oder mehreren anderen reaktiven Elementen wie Hf, Zr, Si, der Rest im Wesentlichen Eisen und/oder Nickel und/oder Cobalt.
Derartige MCrAlY-Beschichtungslegierungen sind hinreichend bekannt und in der US-Patentschrift Nr. 4 080 486 beschrieben. Die Erfindung wird im Folgenden als Beispiel, und ohne hierauf beschränkt zu sein, unter Verwendung einer CoNiCrAlY-Beschichtung 10 beschrieben; die Erfindung kann jedoch unter Verwendung beliebiger anderer CoCrAlY-, NiCrAlY-, CoNiCrAlY- und FeCrAlY- Beschichtungslegierungen realisiert werden.
Typisch wird die erste Beschichtung vom Typ MCrAlY mit einer Dicke im Bereich von 0,051 mm (0,002 Inch) bis 0,508 mm (0,020 Inch) als Überzugsbeschichtung auf ein Nickel- oder Cobaltbasis-Superlegierungs-Substrat S aufgebracht, bei dem es sich zum Beispiel um eine Lauf- oder Leitschaufel für ein Gasturbinentriebwerk handeln kann. Die MCrAlY-Beschichtung wird auf das Substrat bevorzugt durch die bekannten Niederdruck-Plasmaspritzverfahren oder Hochgeschwindigkeits-Sauerstoff-Brenngas-Spritzverfahren aufgetragen. Beim Niederdruck-Plasmaspritzen werden Pulverpartikel der Beschichtungslegierung erhitzt und in Richtung auf ein Substrat getrieben, das in einer Vakuumkammer untergebracht ist, welche die Spritzumgebung bei einem Niederdruck unter 1 atm, typisch unter 50 Torr hält. Die Erhitzung und Geschwindigkeit der Pulverpartikel werden durch Verwendung eines Plasmabrenners erzielt, der so gestaltet oder modifiziert ist, dass er unter vermindertem Umgebungsdruck betrieben werden kann. Bei dem Hochgeschwindigkeits-Sauerstoff-Brenngas-Beschichtungsverfahren wird thermische und kinetische Energie auf Pulverpartikel der Beschichtungslegierung durch Verbrennung in der Flamme anstelle von Plasma transferiert. Das Verfahren wird typisch in einer Spritzumgebung bei lokalem Atmosphärendruck durchgeführt, und der Brenner kann von Hand oder mit automatisierten Systemen betrieben werden. Die zu beschichtende Komponente wird typisch auf eine/n/m Tisch oder ein/em Antriebssystem aufgespannt bzw. befestigt.
Es können jedoch auch andere hinreichend bekannte Techniken, wie Plasmaspritzen an Luft, Lichtbogenplasmaspritzen unter Abschirmung und Einfangplattieren oder physikalisches Abscheiden aus der Gasphase nach US- Patent Nr. 4 080 486 verwendet werden, um die MCrAlY-Beschichtung auf dem Substrat niederzuschlagen.
Die Aluminid-Diffusionsüberschichtung 12 wird in situ auf der ersten Beschichtung 10 durch chemische Gasphasenabscheidung (CVD) unter Anwendung eines niedrigaktiven Aluminium-Beschichtungsgases und Substratbeschichtungstemperaturen von mindestens ca. 1000ºC (1832ºF) in Einklang mit der US-Patentschrift 5 658 614 gebildet. Die Aluminid-Diffusionsüberschichtung 12 umfasst eine auswärts gewachsene, äußere einphasige Additivschicht 12a und eine innere Diffusionszone 12b nahe der MCrAlY-Beschichtung 10, wobei ein Teil der MCrAlY-Beschichtung intakt auf dem Substrat S gelassen wird. Die auswärts gewachsene Additivschicht 12a umfasst MAI oder (M,Pt)Al, einphasig aufgebaut, wobei M ausgewählt ist aus dem Co, Ni und/oder Fe der unten liegenden MCrAlY-Beschichtung und wobei Pt vorhanden ist, wenn die MCrAlY-Beschichtung vor dem Aluminieren mit Pt plattiert wird, wie unten beschrieben. Die Aluminid-Diffusionsüberschichtung 12 weist typisch eine Gesamtdicke von 0,0127 mm (0,5 mil) bis 0,1016 mm (4,0 mil) auf, umfassend sowohl die auswärts gewachsene Additivschicht 12a wie auch die Diffusionszone 12b.
Bei der Bildung der Aluminid-Diffusionsüberschichtung 12 wird ein hochreines niedrigaktives Aluminium-Beschichtungsgas verwendet, welches eine Mischung von Wasserstoff- und Aluminiumtrichlorid-Gasen umfasst und unter der verwendeten Substratbeschichtungstemperatur wirksam ist, die Konzentrationen an Fremdverunreinigungen wie S und P und anderen in dem aluminierten MCrAlY-Bereich des Beschichtungssystems, insbesondere der auswärts gewachsenen, äußeren Additivschicht, zu vermindern.
Das niedrigaktive Beschichtungsgas wird erzeugt, indem hochreine Wasserstoffchlorid- und Wasserstoff-Trägergase über eine hochreine Quelle geleitet werden, welche Aluminium bei einer relativ niederen Temperatur umfasst, so etwa ein Aluminiumbett bei einer Temperatur von nicht mehr als 316ºC (600ºF). Bevorzugt umfasst die hochreine Aluminiumquelle (mindestens 99,999 Gew.-% Al) Aluminium-Pellets, Korn P, welche im externen Beschichtungsgasgenerator eingesetzt werden. Hochreiner Wasserstoff weist typisch weniger als 30 ppb (Volumenteile auf eine Milliarde) Verunreinigungen auf, und hochreines Wasserstoffchlorid weist typisch weniger als 25 ppm (Volumenteile auf eine Million) Verunreinigungen auf.
Die Reinigungseffekte der im Vorstehenden genannten CVD-Aluminierungsbedingungen auf den aluminierten Bereich der MCrAlY-Beschichtung (d. h. auf die Aluminid-Überschichtung 12) wurden in einer Reihe von Beschichtungsversuchen nachgewiesen, wobei Probekörper mit den Abmessungen 12 mm · 25 mm · 2 mm dick verwendet wurden, die aus einer monolithischen Ablagerung einer CoNiCrAlY-Legierung herausgetrennt wurden, welche durch Hochgeschwindigkeits-Sauerstoff-Brenngas-Spritzen unter Verwendung einer Einrichtung vom Typ Hobat-Taffa Model JP-5000 HVOF auf ein Nickelbasis-Superlegierungssubstrat aufgebracht wurde. Die Depositionsparameter betrugen 19 l (5 gal) Kerosin pro Stunde und 45,3 m³/h (1600 scfh/Standardkubikfuß pro Stunde) Sauerstoff bei einer Legierungspulverfließrate (Partikelgröße kleiner 64 um Mesh (-270 mesh)) von 7,3 kg (16 lb) pro Stunde in umgebender Atmosphäre. Der Niederschlag der CoNiCrAlY-Legierung hatte eine Zusammensetzung, in Gewichtsprozent, von 29,5% Ni, 23,6% Cr, 11,7% Al, 0,7& Y, Rest Co. Die CoNiCrAlY-Streifenproben wurden CVD-aluminiert und geprüft, ohne auf ein Substrat aufgebracht zu sein, da Substrateinflüsse auf die Aluminid-Diffusionsüberschichtung 12 als minimal angesehen wurden. Die von diesen CoNiCrAlY-Streifenproben gewonnenen Testergebnisse sind repräsentativ für eine Vielfalt von kommerziell genutzten Legierungsbeschichtungen vom MCrAlY-Typ.
Die CoNiCrAlY-Streifenproben wurden in fünf Proben-Gruppen eingeteilt (5 Proben je Gruppe), wobei eine Gruppe als Grundlinien-Proben für die Analyse der Zusammensetzung vor dem Aluminieren reserviert wurde. Zwei Gruppen von Streifenproben wurden einer hochaktiven Einpackzementier-Aluminierung unterworfen, wobei eine der Gruppen ohne einen Aktivator aluminiert wurde (die im Folgenden als aluminierte MDC-15-Proben bezeichnet werden) und die andere Gruppe mit einem Halogensalz-Aktivator aluminiert wurde (die im Folgenden als MDC-51-Proben bezeichnet werden).
Die zwei Gruppen von MCrAlY-Streifenproben wurden nach dem Einpackzementierprozess aluminiert (MDC-15- und MDC-51-Streifenproben), um einwärts gewachsene Aluminid-Beschichtungen herzustellen. Die unaktivierte MDC-15-Packung umfasste 33 Gew.-% Al-Legierungspulver, Rest Aluminiumoxid. Die Streifenproben wurden in die Pulverpackung eingebracht und bei 982ºC (1800ºC) für 3 Stunden in einer Wasserstoffatmosphäre zum Aluminieren erhitzt. Die MDC-51-Packung umfasste eine mit Ammoniumchlorid (NH&sub4;Cl) aktivierte Pulverpackung mit 0,03 Gew.-% Ammoniumchlorid, 67 Gew.-% Al-Legierungspulver, Rest Aluminiumoxid. Der Aluminierungszyklus der Streifenproben in der Pulverpackung umfasste 19 Stunden bei 1038ºC (1900ºF) in einer Argon-Atmosphäre. Die mit MDC-51 bezeichneten, nach dem Einpackzementierverfahren aluminierten CoNiCrAlY-Streifenproben waren repräsentativ für das in der US-Patentschrift Nr. 4 080 486 beschriebene MCrAlY-Beschichtungssystem.
Zwei andere Gruppen der CoNiCrAlY-Streifenproben wurden unter Verwendung eines niedrigaktiven Aluminiumtrichlorid-Prozesses CVD-aluminiert, wie im Vorstehenden und in der obengenannten US-A-5 658 614 beschrieben, um die Aluminid-Diffusionsüberschichtung 12 zu erzeugen.
Im Besonderen wurde eine Gruppe von Streifenproben, als MDC-210 bezeichnet, bei einer Substrattemperatur von 1080ºC unter Verwendung einer Beschichtungsgasmischung, umfassend 9 Vol.-% Aluminiumtrichlorid und 91 Vol.-% Wasserstoff bei einer Fließrate von 8,50 m³/h unter Standardbedingungen (300 scfh) und einem Gesamtdruck von 98 kg/cm² (500 Torr), CVD- aluminiert. Die Beschichtungsmischung wurde erzeugt, indem hochreiner Wasserstoff (z. B. weniger als 30 ppb Verunreinigungen) und hochreines Wasserstoffchlorid (z. B. weniger als 25 ppm Verunreinigungen) in einer Mischung von Wasserstoff/13 Vol.-% HCl über eine 99,999% reine Quelle von Aluminium bei 290ºC in einem außerhalb der Beschichtungsretorte angeordneten Generator geleitet wurden. Wasserstoffchlorid, welches eine Reinigung der MCrAlY-Überzugsbeschichtung bewirkt (d. h. bei dieser speziellen CVD-Beschichtung Verminderungen in der Konzentration des Fremdelementes P), wurde durch Wasserstoffreduktion von Aluminiumtrichlorid auf der Probenoberfläche erzeugt. Die oberflächenaktive Fremdverunreinigung S wurde durch Reaktion mit dem Wasserstoff-Trägergas unter Bildung von Wasserstoffsulfid-Gas aus der MCrAlY-Beschichtung entfernt.
Eine weitere Gruppe von Streifenproben wurde zuerst elektroplattiert unter Verwendung einer wässrigen Elektroplattierungslösung auf Basis von Alt-Kaliumhydroxid mit einem KOH-Gehalt im Bereich von 30 bis 90 g KOH pro Liter und 10 g Pt pro Liter bei einer Stromdichte von 0,015 A/cm², um 9 bis 11 Milligramm Pt/cm² auf den Streifenproben niederzuschlagen. Diese Elektroplattierungslösung ist in der US-A-5 788 823 ausführlich beschrieben und führt zu verminderten Konzentrationen an S und P in der elektroplattierten Pt- Schicht sowie zur Einführung von K (oder einem anderen Alkali- oder Erdalkali- Element aus dem Hydroxid in Lösung) in die Pt-Schicht, wie in der obenerwähnten US-A-5 788 823 beschrieben.
Die Pt-elektroplattierte Gruppe von Streifenproben, als MDC-150L bezeichnet, wurde ohne Vordiffusion der Pt-Schicht in die MCrAlY-Beschichtung bei einer Substrattemperatur von 1080ºC unter Verwendung einer Beschichtungsgasmischung mit 9 Vol.-% Aluminiumtrichlorid und 91 Vol.-% Wasserstoff bei einer Strömungsrate von 8,50 m³/h unter Standardbedingungen (300 scfh) und einem Gesamtdruck von 98 kg/cm² (500 Torr) CVD-aluminiert. Die Beschichtungsmischung wurde erzeugt, indem hochreiner Wasserstoff (z. B. weniger als 30 ppb Verunreinigungen) und hochreines Wasserstoffchlorid (z. B. weniger als 25 ppm Verunreinigungen) in einer Mischung von Wasserstoff/13 Vol.-% HCl über eine 99,999% reine Quelle von Aluminium bei 290ºC geleitet wurden.
Die beschichteten Grundlinien-Streifenproben und aluminierten Streifenproben wurden analysiert, und zwar auf ihre Hauptelemente mit Elektronenstrahl- Mikrosonde, auf Phosphor-Spurenverunreinigungen durch Glimmentladungsmassenspektrometrie (GDMS) durch die Überschichtung zur MCrAlY-Beschichtung (Mittel der gemessenen P-Werte) und auf Schwefel-Spurenverunreinigungen unter Verwendung eines Analysators vom Typ LECO CS444LS. Die Schwefelanalyse ist eine Bulk-Messung, welche die Aluminid-Beschichtung und die MCrAlY-Beschichtung einschließt.
Die Analyse mittels Elektronenstrahl-Mikrosonde der beschichteten CoNiCrAlY- Streifenproben lieferte die Legierungszusammensetzung wie im Vorstehenden angegeben, nämlich eine CoNiCrAlY-Zusammensetzung von, in Gewichtsprozent, 29,5% Ni, 23,6% Cr, 11,7% Al, 0,7% Y, Rest Co.
Die Ergebnisse der GDMS- und LECO-Analysen der Streifenproben sind in der nachfolgenden Tabelle I aufgeführt, wobei CoNiCrAlY HVOF die beschichteten Streifenproben ohne Aluminierung repräsentiert. TABELLE I CHEMISCHE ANALYSE VON CoNiCrAlY-STREIFEN GLIMMENTLADUNGSMASSENSPEKTROSKOPIE LECO NIEDRIGSCHWEFEL
Die Daten von Tabelle I zeigen die Reinigungseffekte der niedrigaktiven CVD- Aluminierung der MDC-150L- und MDC-210-CoNiCrAlY-Streifenproben: bei diesen Proben sind die S- und P-Konzentrationen um mindestens ca. 50 Wo vermindert gegenüber dem in den beschichteten CoNiCrAlY HVOF-Streifenproben ohne Aluminierung vorhandenen S und P.
Im Gegensatz dazu war die S-Konzentration der einwärts gewachsenen Aluminid-Diffusionsbeschichtungen der nach dem hochaktiven Einpackzementierprozess aluminierten MDC-15-Streifenproben und die P-Konzentration der nach dem hochaktiven Einpackzementierverfahren aluminierten MDC-51-Streifenproben gegenüber den beschichteten CoNiCrAlY HVOF-Streifenproben ohne Aluminierung erhöht. Wie bereits erwähnt, waren die nach dem Einpackzementierverfahren aluminierten CoNiCrAlY-Streifenproben mit der Bezeichnung MDC-51 repräsentativ für das in der US-Patentschrift Nr. 4 080 486 beschriebene aluminierte MCrAlY-Beschichtungssystem.
Es wurde ein zyklischer Oxidationstest von Streifenproben MDC-15, MDC-51, MDC-150L und MDC-210 durchgeführt unter Anwendung eines einstündigen Zyklus, bestehend aus 50 Minuten bei einer Temperatur von 1100ºC (2012ºF) und 10 Minuten rascher Kühlung an Luft. Für jede Art dieser Beschichtungsproben wurden vier Probekörper verwendet und die Ergebnisse gemittelt. Die Aluminid-Diffusionsbeschichtungsdicke betrug 72,4 um (2,85 mil) für die MDC-15-Proben, 68,6 um (2,7 mil) für die MDC-51-Proben, 38,1 um (1,5 mil) für die MDC-150L-Proben und 27,9 um (1,1 mil) für die MDC-210-Proben. Die Proben für die zyklische Oxidation wurden vor der Prüfung und nach jeweils fünfzig Testzyklen gewogen, bis zum Auftreten eines Nulldurchgangs (Versagen) (Versagen trat nur bei MDC-15-, MDC-51- und MDC-210-Proben auf). Die untenstehende Tabelle II zeigt die Oxidationstestergebnisse, wobei die zweite Spalte normiert ist, um den unterschiedlichen Aluminid-Diffusionsbeschichtungsdicken Rechnung zu tragen. Angaben zu den Gewichtsänderungen (ΔM/A in Milligramm/Quadratzentimeter) sind in Fig. 2 aufgetragen. TABELLE II ZYKLISCHE OXIDATION BEI 1373 K NORMIERTE UND RELATIVE LEBENSDAUER UNTER OXIDATIONSBEDINGUNGEN
** weiter ablaufende Tests
Wie in Tabelle II gezeigt und in Fig. 2 veranschaulicht, zeigen die (Pt-elektroplattierten) MDC-150L-Proben und die MDC-210-Proben (ohne Pt-Elektroplattierung), welche einer niedrigaktiven CVD-Aluminierung in Einklang mit der vorliegenden Erfindung unterworfen wurden, eine deutlich höhere Oxidationsbeständigkeit als die einwärts gewachsenen Proben MDC-15 und MDC-51, welche nach dem hochaktiven Einpackzementierverfahren aluminiert wurden. Es möge beachtet werden, dass die Gewichtsänderungsdaten für die MDC-150L- und MDC-210-Proben kein Beschichtungsversagen zu den Zeitpunkten zeigen, wo die MDC-15 und MDC-51-Proben Nulldurchgang (Versagen) erreichen. Bei den CVD-überschichteten MDC-210-Proben tritt Versagen nach 1425 Oxidationszyklen auf, was eine Verbesserung der Lebensdauer um mehr als das 22fache bedeutet (siehe Tabelle II). Auf der Grundlage der zur Verfügung stehenden Daten zeigen die CVD-überschichteten MDC-150L-Proben die beste Oxidationsbeständigkeit von allen geprüften Beschichtungssystemen. Im Besonderen zeigen die MDC-150L-Proben zu dem Zeitpunkt, wo die MDC-210- Proben Nulldurchgang (Versagen) zeigen, noch immer kein Versagen und durchlaufen noch weiter ablaufende Testzyklen.
Die MDC-150L- und MDC-210-Proben zeigten zwar ähnliche, auswärts gewachsene Aluminid-diffusionsüberschichtete Strukturen mit ähnlichen Verminderungen der S- und P-Konzentrationen und ähnlichen Aluminium-Konzentrationen in den Beschichtungen; die MDC-150L-Proben zeigen jedoch eine bessere Oxidationsbeständigkeit als die MDC-210-Proben aufgrund des Vorhandenseins von Pt und K in der Aiuminid-Diffusionsüberschichtung der MDC-150L-Proben.

Claims

1. Beschichtete Gasturbinentriebwerkskomponente, umfassend eine erste Beschichtung auf der Komponente, im Wesentlichen bestehend aus Chrom, Aluminium, einem Element, ausgewählt aus der Gruppe, welche besteht aus Yttrium, einem Seltenerd-Element und einem reaktiven Element, ausgewählt aus der aus Hf, Zr und Si bestehenden Gruppe, und einem Element, ausgewählt aus der aus Nickel, Cobalt und Eisen bestehenden Gruppe, und eine durch chemische Gasphasenabscheidung erzeugte auswärts gewachsene Aluminid-Diffusionsüberschichtung auf der ersten Beschichtung.

2. Komponente nach Anspruch 1, wobei die Aluminid-Diffusionsüberschichtung unter Bedingungen der chemischen Gasphasenabscheidung gebildet wird, welche die Konzentration einer Fremdverunreinigung vermindern, um eine Verbesserung der Oxidationsbeständigkeit des Beschichtungssystems zu bewirken.

3. Komponente nach Anspruch 2, wobei die Aluminid-Diffusionsüberschichtung gegenüber der ersten Beschichtung eine reduzierte Konzentration an S und/oder P aufweist.

4. Komponente nach Anspruch 3, wobei die Aluminid-Diffusionsüberschichtung eine Konzentration an Schwefel aufweist, die mindestens 50% geringer ist als die Schwefelkonzentration der ersten Beschichtung.

5. Komponente nach Anspruch 3, wobei die Aluminid-Diffusionsüberschichtung eine Konzentration an Phosphor aufweist, die mindestens 50% geringer ist als die Phosphorkonzentration der ersten Beschichtung.

6. Komponente nach Anspruch 3, wobei die Aluminid-Diffusionsüberschichtung eine Schwefelkonzentration von 20 Gew.-ppm oder weniger aufweist.

7. Komponente nach Anspruch 2, wobei die Aluminid-Diffusionsüberschichtung eine Phosphorkonzentration von 20 Gew.-ppm oder weniger aufweist.

8. Komponente nach Anspruch 1, wobei die Aluminid-Diffusionsüberschichtung Platin enthält.

9. Komponente nach Anspruch 1, wobei die Aluminid-Diffusionsüberschichtung eine Dicke von ca. 0,0127 mm (0,005 Inch) bis ca. 0,1016 mm (0,004 Inch) aufweist.

10. Komponente nach Anspruch 1, welche die erste Beschichtung und die Aluminid-Diffusionsüberschichtung auf einer äußeren Oberfläche der Komponente aufweist.

11. Komponente nach Anspruch 10, welche eine Aluminid-Diffusionsüberschichtung auf einer inneren Oberfläche der Komponente aufweist.

12. Komponente nach Anspruch 1, wobei die Aluminid-Diffusionsüberschichtung ein Alkalielement oder ein Erdalkalielement enthält.

13. Verfahren zum Beschichten eines Substrats, umfassend die Bereitstellung einer ersten Beschichtung auf dem Substrat, wobei die erste Beschichtung im Wesentlichen besteht aus Chrom, Aluminium, einem Element, ausgewählt aus der Gruppe, welche besteht aus Yttrium, einem Seltenerd-Element und einem reaktiven Element, ausgewählt aus der aus Hf, Zr und Si bestehenden Gruppe, und einem Element, ausgewählt aus der aus Nickel, Cobalt und Eisen bestehenden Gruppe, und Aluminieren der ersten Beschichtung unter Bedingungen der chemischen Gasphasenabscheidung und einer Substratbeschichtungstemperatur von mindestens ca. 1000ºC, um eine auswärts gewachsene Aluminid-Diffusionsüberschichtung auf der ersten Beschichtung zu bilden.

14. Verfahren nach Anspruch 13, wobei die Bedingungen der chemischen Gasphasenabscheidung die Verwendung eines Beschichtungsgases umfassen, welches unter der Substratbeschichtungstemperatur wirksam ist, die Konzentration einer Fremdverunreinigung in der Überschichtung zu vermindern, um eine Verbesserung der Oxidationsbeständigkeit des Beschichtungssystems zu bewirken.

15. Verfahren nach Anspruch 14, umfassend die Verminderung der Konzentration von S und/oder P.

16. Verfahren nach Anspruch 13, wobei die chemische Gasphasenabscheidung ein hochreines Beschichtungsgas verwendet, welches durch Leiten von hochreinen Wasserstoff- und Wasserstoffchloridgasen über eine hochreine Quelle von Aluminium gebildet wird.

17. Verfahren nach Anspruch 13, wobei die erste Beschichtung vor dem Aluminieren mit Platin beschichtet wird, ohne Vordiffusion der Platinschicht in die erste Beschichtung.

18. Verfahren nach Anspruch 17, wobei die Platinschicht aus einer wässrigen Hydroxid-Plattierungslösung auf das Substrat plattiert wird.

19. Verfahren nach Anspruch 13, wobei eine äußere Oberfläche des Substrats mit der ersten Beschichtung beschichtet wird, die aluminiert wird.

20. Verfahren nach Anspruch 19, wobei eine innere Oberfläche des Substrats unter den genannten Bedingungen gleichzeitig aluminiert wird.