DE2852748A1

DE2852748A1 - Verfahren zum abscheiden einer aluminium enthaltenden legierungsueberzugsschicht aus einem metalldampf auf ein substrat

Info

Publication number: DE2852748A1
Application number: DE19782852748
Authority: DE
Inventors: Harry Andrew Beale; Thomas Edward Strangman; Edward William Taylor
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: RTX Corp
Priority date: 1977-12-08
Filing date: 1978-12-06
Publication date: 1979-06-13
Also published as: GB2010920B; IL56126A0; IT1100785B; JPS54109082A; CA1128820A; AU4217478A; FR2411247B1; SE7812281L; IT7830607A0; AU518998B2; FR2411247A1; IL56126A; US4109061A; GB2010920A

Description

UNITED TECHNOLOGIES CORPORATION Hartford, Connecticut 06101, V.St.A.

Verfahren zum Abscheiden einer Aluminium enthaltenden Legierungsüberzugsschicht aus einem Metalldampf auf ein Substrat

Die Erfindung bezieht sich auf hochwarmfeste, Aluminium enthaltende Legierungsüberzugsschichten, die üblicherweise auch als Overlay- oder Deckschichten bezeichnet werden, und auf ihre Anwendung bei Superlegierungssubstraten.

Es ist bekannt, daß die Familie der hochwarmfesten, oxydations- und korrosionsbeständigen Überzugsschichten, bei welchen es sich im allgemeinen um MCrAlY-Überzugsschichten handelt, die Lebensdauer von Gasturbinen-Lauf- und -Leitschaufeln und ähnlichen Teilen beträchtlich verlängern kann, vgl. zum Beispiel die US-PSen 3 676 085, 3 754 903, 3 928 und 3 542 530. Diese verschleißfesten MCrAlY-Überzugsschichten werden auch als Deckschichten bezeichnet, da sie

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auf dem Substrat als eine Legierung abgeschieden werden und für den Oxydations- und Korrosionsschutz' im wesentlichen unabhängig von dem Substrat sorgen.

Bislang werden derartige Überzüge durch Aufdampfen im Vakuum, durch Zerstäubungs- und Plasmaspritzverfahren aufgebracht. Das Aufdampfen im Vakuum und das Zerstäubungsverfahren gleichen sich dahingehend, daß das Aufdampfen der Überzugsschicht erfolgt, indem das Substrat einem Metalldampf, gewöhnlich im Vakuum, ausgesetzt wird, wobei der Dampf auf der Substratoberfläche kondensiert und die Überzugsschicht bildet, vgl. zum Beispiel die US-PSen 2 764 420 und 3 799 862. Ein Nachteil, der mit dem Aufdampfen und der Zerstäubung von MCrAlY-Überzugs- " schichten verbunden ist, ist die Bildung von sogenannten Ader- oder Leitfehlstellen in der Überzugsschicht. Diese Fehlstellen haben die Form von langgestreckten .Hohlräumen zwischen den stengeligen Gefügekörnern der abgeschiedenen und nicht weiter bearbeiteten Überzugsschicht und es ist bekannt, daß sie die Oxydations- und Korrosionsbeständigkeit der Überzugsschicht verringern, weil sie Zugangswege bilden, über die die korrodierende Umgebung in die Überzugsschicht eindringen kann. Im allgemeinen wird bei der industriellen Herstellung von mit MCrAlY-Überzugsschichten versehenen Teilen, wie beispielsweise Lauf- und Leitschaufeln von Turbinen, das überzogene Teil mit Glasperlen bearbeitet, um die Leitfehlstellen zu schließen. Selbstverständlich ist die Bearbeitung mit" Glasperlen ein zusätzlicher Schritt in dem Verfahren, der die Herstellungskosten eines mit.einer MCrAlY-Überzugsschicht versehenen akzeptablen Teils erhöht.

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ORIGINAL INSPECTED

Außerdem ist überlegt worden, daß es äußerst wünschenswert wäre, eine duktilere, d.h. eine weniger Aluminium enthaltende MCrAlY-Schicht zwischen dem Substrat und einer äußeren oxydationsbeständigen MCrAlY-Schicht mit normaler Zusammensetzung zu schaffen. Die Überlegung, die diesem Gedanken zugrunde liegt, besteht darin, daß die mittlere, weniger Aluminium enthaltende Schicht als eine duktile Sperrzone dienen würde, die Warmrisse, welche manchmal während des Hochtemperaturbetriebes erzeugt werden, abstumpft und daran hindert, sich bis zu dem Substrat auszubreiten und dadurch dieses der agressiven Umgebung auszusetzen. Gegenwärtig angewandte Aufdampfungs- und Zerstäubungsverfahren sind jedoch nicht dafür geeignet, solche Überzugszusammensetzungsänderungen ohne weiteres zu erzeugen, da der Metalldampf, welchem das Substrat ausgesetzt wird, üblicherweise aus einem einzigen Ausgangsblock erzeugt wird, der eine homogene Zusammensetzung hat. Es ist zwar möglich, einen Ausgangsblock mit heterogener Zusammensetzung zu schaffen, um einen solchen Überzug auf dem Substrat abzuscheiden, das wäre jedoch aufgrund der zahlreichen Schritte, die zur Herstellung eines solchen Blockes erforderlich sind, eine teuere Lösung. Selbstverständlich können in zwei Schritten auszuführende Überzugsverfahren angewandt werden, bei welchen unterschiedliche Ausgangsblockzusammensetzungen benutzt werden, um zuerst eine duktile MCrAlY-Schicht und dann eine oxydationsbeständige MCrAlY-Schicht abzuscheiden, diese Verfahren würden aber ebenfalls teuere Lösungen darstellen.

Die Erfindung schafft ein Verfahren zum Verändern der Zusammensetzung und des Gefüges einer Aluminium enthaltenden Legierungsüberzugsschicht, beispielsweise einer Überzugsschicht des MCrAlY-Typs, wenn die Überzugsschicht aus einem

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Metalldampf abgeschieden wird.

Diese Zusammensetzungs- und Gefügeänderungen erfolgen während der Abscheidung aus einem Metalldampf, der aus einem einzigen Block mit im wesentlichen homogener Zusammensetzung erzeugt wird.

In weiterer Ausgestaltung des Verfahrens nach der Erfindung wird eine Überzugsschicht des MCrAlY-Typs abgeschieden, deren Gefüge im wesentlichen frei von Leitfehlstellen ist.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird eine Überzugsschicht des MCrAlY-Typs abgeschieden, die eine Zwischenschicht mit geringerem Aluminiumgehalt und entsprechend höherer Duktilitat zwischen dem Substrat und einer äußeren oxydationsbeständigen Schicht hat, welche als eine duktile Sperrschicht gegen die Ausbreitung von Warmrissen dient.

Die Erfindung beruht auf der Entdeckung, daß die Zusammensetzung und das Gefüge von Aluminium enthaltenden Legierungsüberzugsschichten, wie z.B. Überzugsschichten des MCrAlY-Typs, während der Abscheidung aus einem Metalldampf, z.B. während des Aufdampfens im Vakuum, der Zerstäubung und dgl., verändert werden können, indem das Substrat auf ein. niedriges negatives Potential gegen Erde vorgespannt wird, während wenigstens ein Teil des Metalldampfes ionisiert wird. Insbesondere ist herausgefunden worden, daß der Aluminiumgehalt der Überzugsschicht beträchtlich verringert und Leitfehlstellen im wesentlichen eliminiert werden können, wenn die Abscheidung unter solchen Überzugsbedingungen erfolgt. Es hat sich gezeigt, daß die so abge-

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schiedene Überzugsschicht eine äußerst nützliche Kombination von Eigenschaften besitzt. Da sie praktisch frei von Leitfehlstellen ist, kann die Schicht nämlich als ein bevorzugtes sekundäres Substrat dienen, um die Bildung von Leitfehlstellen in einer oxydationsbeständigen MCrAlY-Schicht zu verringern, die anschließend unter herkömmlichen Uberzugsbedingungen darauf abgeschieden wird, und außerdem hat die Schicht wegen ihres geringeren Aluminiumgehalts eine verbesserte Duktilität und kann als eine duktile Sperrschicht gegen die Ausbreitung von Warmrissen während des Hochtemperaturbetriebes dienen. Es ist bedeutsam, daß diese Zusammensetzungs-und Gefügeänderungen erzielt werden können, obgleich ein einziger Ausgangsblock mit homogenen chemischen Eigenschaften zur Erzeugung des Dampfes für den Überzug benutzt wird.

In einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß die oben beschriebenen Überzugsbedingungen während des Anfangsteils eines ansonsten herkömmlichen Überzugsverfahrenszyklus hergestellt werden, indem zuerst auf das Substrat eine duktile und keine Leitfehlstellen aufweisende MCrAlY-Schicht mit geringerem Aluminiumgehalt aufgetragen wird und dann die Vorspannung abgeschaltet wird, um das Abscheiden einer MCrAlY-Schicht mit normaler Zusammensetzung in herkömmlicher Weise auf der ersten Schicht zu gestatten, wobei die relativen Dicken der Schichten nach Bedarf verändert werden. Die in ihrer Zusammensetzung und in ihrem Gefüge modifizierte erste MCrAlY-Schicht dient nicht nur anschließend als bevorzugtes sekundäres Substrat während des herkömmlichen Teils des Überzugszyklus, um die Anzahl und das Ausmaß von Leitfehlstellen in der MCrAlY-Schicht mit normaler Zusammensetzung zu verringern, sondern sie' dient auch als eine duktile

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Sperrschicht während des Hochtemperaturbetriebes, um die Warmrißausbreitung zu minimieren.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß die oben beschriebenen Überzugsbedingungen periodisch für kurze Zeitintervalle während eines ansonsten herkömmlichen Überzugsverfahrenszyklus hergestellt werden, um eine Überzugsschicht abzuscheiden, die ein lamellares Gefüge von miteinander abwechselnden duktilen und oxydationsbeständigen MCrAlY-Schichten und eine Gesamtzusammensetzung hat, welche im wesentlichen der MCrAlY-Zusammensetzung entspricht, wobei die Überzugsschicht im überwiegenden Teil ihrer Gesamtdicke im wesentlichen frei von Leitfehlstellen ist. In dieser Ausführungsform wird vorzugsweise die erste Schicht mit Vorspannung abgeschieden, während die letzte Schicht unter herkömmlichen Überzugsbedingungen abgeschieden wird.

In noch einer weiteren Ausführungsform werden die oben beschriebenen Überzugsbedingungen während des gesamten Überzugszyklus aufrechterhalten, um eine oxydationsbeständige MCrAlY-Schicht zu erzeugen, die im wesentlichen frei von Leitfehlstellen ist. In dieser Ausführungsform hat der Ausgangsblock vorzugsweise einen größeren Aluminiumgehalt, um der Verringerung des Aluminiumgehalts, die durch das Vorspannen des Substrats verursacht wird, entgegenzuwirken.

Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:

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Fig. 1 in einer schematischen Darstellung und

teilweise im Schnitt eine bei der Erfindung verwendbare Vorrichtung zum Aufdampfen im Vakuum,

Fig. 2 einen Querschnitt durch eine NiCoCrAlY-

Überzugsschicht, die abgeschieden worden ist, indem zuerst das Substrat und die Anode vorgespannt worden sind und dann die Vorspannung für den übrigen Teil des Aufdampfens im Vakuum abgeschaltet worden ist,

Fig. 3 einen Querschnitt durch eine NiCoCrAlY-

. Überzugsschicht, die durch herkömmliches Aufdampfen im Vakuum abgeschieden worden ist,

Fig. 4 einen Querschnitt durch eine NiCoCrAlY-

Überzugsschicht, die durch periodisches Vorspannen des Substrats und der Anode für kurze Zeitspannen während des Aufdampfens im Vakuum abgeschieden worden ist, und

Fig. 5 einen Querschnitt durch eine Überzugsschicht,

die durch Vorspannen des Substrats und der Anode während des gesamten Verfahrens des Aufdampfens im Vakuum abgeschieden worden ist.

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Die Ausführungsbeispiele der Erfindung, die im folgenden im einzelnen beschrieben sind, beziehen sich zwar auf das Aufdampfen·einer NiCoCrAIY-Überzugslegierung, das dient jedoch lediglich zur Veranschaulichung und die Erfindung ist keineswegs darauf beschränkt. Die Erfindung ist allgemein bei hochwarmfesten, Aluminium enthaltenden Legierungsüberzugsschichten, insbesondere solchen des.MCrAlY-Typs, anwendbar, die beträchtliche Mengen an Aluminium enthalten, damit es zur Bildung eines Aluminiumoxidsperrfilms auf der Oberfläche kommt, der diese Oberfläche schützt. Der hier verwendete Begriff "Überzugsschicht des MCrAlY-Typs" soll Überzugslegierungen umfassen, welche im wesentlichen Chrom, beispielsweise wenigstens etwa 10 Gew.-%, im wesentlichen Aluminium, beispielsweise wenigstens etwa 6 Gew.-%, und Yttrium, andere seltene Erden oder sauerstoffaktive Elemente einschließlich Hafnium, Silicium und andere enthalten, wobei das Basismetall der Überzugslegierung Nickel, Kobalt, Eisen oder ein Gemisch derselben ist. Selbstverständlich können andere Legierungselemente je nach der Art des zu erwartenden Betriebes und anderer Faktoren vorhanden sein. Die Erfindung ist außerdem allgemein bei Überzugsverfahren anwendbar, bei denen die Abscheidung erfolgt, indem ein Substrat einem Metalldampf ausgesetzt wird, wobei zu diesen Verfahren das Aufdampfen im Vakuum, die Zerstäubung und dgl. gehören.

Fig. 1 zeigt eine Vakuumkammer 10 mit einer Auslaßleitung 12, die zu einer Hochvakuumpumpe, vorzugsweise einer Diffusionspumpe, führt, mittels welcher die Kammer schnell und kontinuierlich evakuiert wird. Innerhalb der Kammer ist eine Elektronenkanone 14 zum Erzeugen eines Strahls.von geladenen Teilchen dargestellt, der auf einen homogenen Block 16

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aus MCrAlY-Ausgangsmetall auftrifft und diesen verdampft, wobei es sich beispielsweise um einen NiCoCrAlY-Block mit folgender, im wesentlichen homogener Zusammensetzung (in Gewichtsprozent) handelt: 42,50% Ni, 22,50% Co, 21,35% Cr, 13,20% Al und 0,045% Y. Der Elektronenstrahl wird durch herkömmliche magnetische Ablenkpolschuhe 18, sogenannte Elefantenohrelektromagnete, in geeigneter Weise gerichtet. Selbstverständlich ist die Anordnung der Elektronenstrahlkanone innerhalb der Vakuumkammer konstruktionsbedingt. Selbstverständlich können auch mehrere Blöcke benutzt und unter gewissen Umständen verdampft werden.

Der Block 16 ist bewegbar und an seinem oberen Ende von einem ringförmigen, wassergekühlten Tiegel 20 verschiebbar aufgenommen. Der Block wird normalerweise mit einer kontrollierten Geschwindigkeit durch ein Vorschubsystem mit einem Spannfutter 24 und einem Motor 25 kontinuierlich nach oben in den Tiegel bewegt, um eine konstante Schmelzbadhöhe aufrechtzuerhalten. Auf diese Weise trifft der fokussierte Elektronenstrahl nur auf den gewünschten Schmelzbadoberflächenbereich auf.

Das zu überziehende Substrat ist innerhalb der Vakuumkammer 10 vertikal oberhalb des Blockes 16 angeordnet und ist eine ■flache Platte 26 aus einer -Superlegierung auf Nickelbasis, die überlicherweise mit MAR-M200 +· Hf bezeichnet wird und folgende Nennzusammensetzung (in Gewichtsprozent) hat: 9,0% Cr, 10,0% Co, 2,0% Ti,'5,0% Al, 12,5% W, 1,0% Nb, 0,015% B, 2,0% Hf, 0,11% C, Rest im wesentlichen Nickel. Die Platte ist so nahe wie möglich bei der Oberfläche des Schmelzbades angeordnet, um den Überzugswirkungsgrad zu maximieren, aber weit genug davon entfernt, um eine Verun-

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reinigung der Überzugsschicht durch Spritzer aus dem Schmelzbad zu verhindern·. Zum Vorspannen der Platte 26 auf ein niedriges negatives Potential gegen Erde während des Bedampfens ist die Platte mit einer elektrischen Leitung 32 verbunden, die ihrerseits mit einer herkömmlichen Gleichspannungsquelle 33 verbunden ist. Zwischen der Platte 26 und dem Block 16 ist eine Anode 34 angeordnet, die durch eine elektrische Leitung 35 mit einer weiteren herkömmlichen Gleichspannungsquelle 36 verbunden ist. Wenn die Anode aktiviert ist, ionisiert sie einen Teil des aus dem Schmelzbad austretenden Metalldampfes. Ein Verschluß 38 ist zwischen der Platte 26 und der Anode 34 angeordnet, um das Bedampfen zu verhindern, bis in der Kammer optimale Überzugsbedingungen hergestellt sind.

Die Erfindung beruht, wie bereits erwähnt, auf der Entdeckung, daß während herkömmlicher Überzugsverfahren die Zusammensetzung und das Gefüge der NiCoCrAlY-Überzugsschicht, allgemeiner, der Aluminium enthaltenden Legierungsüberzugsschicht, geändert werden können, indem das Substrat auf ein niedriges negatives Potential gegen Erde vorgespannt wird, während der Metalldampf, dem das Substrat ausgesetzt ist, wenigstens teilweise ionisiert wird. In einer Ausführungsform der Erfindung wird die ebene Platte 26 aus MAR-M200 + Hf auf ein niedriges negatives Potential von 60 V während der ersten 7 Minuten der Bedampfung vorgespannt, um eine 50,8 um dicke Anfangs-NiCoCrAlY-Schicht, die in ihrer Zusammensetzung und in ihrem Gefüge modifiziert ist, aufzudampfen. Anschliessend werden die Vorspannungspotentiale an dem Substrat und der Anode abgeschaltet und es erfolgt das herkömmliche Bedampfen im Vakuum, bis eine 127 μπι dicke Schicht auf die

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erste Schicht aufgedampft worden ist. Alle benutzten Uberzugsparameter sind in Tabelle I angegeben.

TABELLE I

Tiegel- Elektronendurchmesser strahlkanone Substrat Anode

(mm) (V) (Al (V) (Aj_ (V) (A)

88,9 10 000 4,2 60 5 20 100

Fig. 2 zeigt einen Querschnitt durch die Überzugsschicht, die durch das oben beschriebene Verfahren erzeugt worden ist. Aus Fig. 2 ist zu erkennen, daß die zuerst unter Vorspannung aufgedampfte Schicht einen verringerten Aluminiumgehalt (bestimmt durch Röntgen-Fluoreszenz-Analyse zu ungefähr 8 Gew.-% Al im Vergleich zu 12,5 Gew.-/£ in der ohne Vorspannung aufgedampften Schicht) und einen geringeren Gehalt an B-(NiAl)-Phase aufweist und im wesentlichen frei von Leitfehlstellen ist. Wenn die Überzugsschicht von Fig. mit der von Fig. 3 verglichen wird, die durch Aufdampfen im Vakuum ohne die anfängliche Bedampfungsstufe mit Vorspannung erzeugt worden ist, ist ebenfalls zu erkennen, daß die in herkömmlicher Weise auf die mit Vorspannung aufgedampfte Schicht aufgedampfte NiCoCrAlY-Schicht eine beträchliche Verringerung der Anzahl und des Umfanges von Leitfehlstellen aufweist. Diese Beobachtungen zeigen, daß die während des Aufdampfens mit Vorspannung erzeuge Überzugsschicht äußerst nützliche Eigenschaften aufweist. Die am Anfang mit Vorspannung aufgedampfte Schicht dient nämlich als ein bevorzugtes sekundäres Substrat während der

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anschließenden Überzugsaufdampfung, um die Anzahl und den Umfang von Fehlstellen in der darauf aufgedampften MCrAlY-Schicht zu verringern, und infolge ihres geringeren Aluminiumgehalts besitzt die mit Vorspannung aufgedampfte Schicht eine größere Duktilität als die ohne Vorspannung aufgedampfte Schicht und wirkt deshalb als duktile Sperrschicht, die die Warmrißausbreitung von der äußeren oxydationsbeständigen Schicht zu dem Substrat während des Hochtemperaturbetriebes blockiert.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung werden die flache Platte 26 und die Anode 34 mit den oben beschriebenen Spannungen periodisch für kurze Zeitspannen während des herkömmlichen Überzugsverfahrens vorgespannt. Typische Vorspannungs—ohne Vorspannungs-Überzugssequenzen sind in Tabelle II angegeben.

	6	TABELLE II	Programm 2	Programm 3
	. 3	1	■ Minuten	Minuten
Programm	4		' 4	3
Betriebsart Minuten	-.3		4	6
Vorspannung	4		3	3
ohne Vorspann.	. 3		4	9
Vorspannung		3	7
ohne Vorspann,		4	7
Vorspannung
ohne Vorspann,

Fig. 4 zeigt einen Querschnitt durch eine NiCoCrAlY-Überzugsschicht, die nach dem Programm 3 auf einem Nickelbasissuperlegierungssubstrat abgeschieden worden ist, welches gewöhnlich mit B-I900 bezeichnet wird und folgende Nennzusammensetzung (in Gewichtsprozent) hat: 8,0% Cr, 10,0% Co,

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1,0°/ Ti, 6,0% Al, 6,0% Mo, 4,3% Ta, 0,11% C, 0,7% Zr, 0,0015% B, Rest im wesentlichen Nickel. Aus Fig. 4 ist zu erkennen, daß die Überzugsschicht ein lamellares Gefüge von abwechselnden duktilen und oxydationsbeständigen Schichten hat und daß die mit Vorspannung aufgedampften Schichten einen geringeren Aluminiumgehalt und einen geringeren Gehalt an ß-Phase haben und im wesentlichen frei von Leitfehlstellen sind. Darüber hinaus ist auch zu erkennen, daß der überwiegende Teil der Überzugsschichtdicke einschließlich mit Vorspannung und ohne Vorspannung abgeschiedener Schichten im wesentlichen frei von Leitfehlstellen ist, die auf den größten Teil der äußeren, ohne Vorspannung aufgetragenen Schicht beschränkt sind. Infolge der geringen Dicke der mit Vorspannung abgeschiedenen Schichten im Vergleich zu der Dicke der ohne Vorspannung abgeschiedenen Schichten kommt die Gesamtzusammensetzung der Überzugsschicht eng an die des NiCoCrAlY-Ausgangsblockes heran und bietet die ausgezeichnete Oxydations- und Korrosionsbeständigkeit der MCrAIY-Überzugsschichten.

In einer weiteren Ausführungsform werden die flache Platte 26 und die Anode 34 während des gesamten Abscheidungsverfahrens vorgespannt. Gemäß Fig. 5 ist bei einem B-1900-Nickelbasissuperlegierungssubstrat und der NiCoCrAlY-Überzugsschicht die Überzugsschicht im wesentlichen frei von Leitfehlstellen, mit Ausnahme in dem äußersten Teil. Die Überzugsschicht weist außerdem einen geringeren Aluminiumgehalt (8 Gew.-%) in der gesamten Dicke auf, wodurch selbstverständlich die Oxydationsbeständigkeit der Überzugsschicht nachteilig beeinflußt wird. Zum Abscheiden einer oxydationsbeständigen MCrAlY-Überzugsschicht kann unter diesen Bedingungen selbstverständlich der Blockzusammensetzung ein höhe-

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rer Aluminiumgehalt gegeben werden, so daß schließlich eine MCrAlY-Überzugsschicht mit normalem Aluminiumgehalt abgeschieden wird.

Die Spannungen, die an das Substrat und die Anode während des Abscheidens angelegt werden, ändern sich in Abhängigkeit von der besonderen Überzugslegierung, die verdampft und abgeschieden wird, und von anderen Faktoren. Es hat sich jedoch herausgestellt, daß eine' Substratspannung von etwa -10 V bis etwa -80 V und eine Anodenspannung von etwa 10V bis etwa 40 V bei den meisten MCrAlY-Überzugslegierungen während des Aufdampfens im Vakuum zufriedenstellende Ergebnisse erbringen. Selbstverständlich kann die Dicke der einzelnen Überzugsschichten auch verändert werden, um sie besonderen Bedürfnissen anzupassen. Die Verringerung des Aluminiumgehalts der Überzugsschicht, die durch das Vorspannen verursacht wird, ändert sich etwas mit den angelegten Spannungen. Für Spannungen in dem Bereich von -60 V bis -70 V für das Substrat und von 18 V bis 24 V für die Anode beträgt der Aluminiumgehalt für den mit Vorspannung abgeschiedenen Überzug etwa 36 % weniger als in der MCrAlY-Ausgangsblockzusammensetzung.

Die zahlreichen Vorteile und Verbesserungen, die die Erfindung mit sich bringt, liegen auf der Hand. Erstens kann eine MCrAlY-Überzugsschicht, die Schichten mit veränderlichem Aluminiumgehalt aufweist, aus einem einzigen homogenen Ausgangsblock geschaffen werden. In der industriellen Überzugspraxis ist dieses Merkmal äußerst wichtig, da ein einschrittiges Verfahren angewandt werden kann. Im Stand der Technik sind zwei oder mehr als zwei gesonderte Überzugsschritte erforderlich, um eine ähnliche Überzugsschicht

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zu erzielen. Infolge der geringeren Anzahl und des geringeren Umfangs von Leitfehlstellen in der gemäß der Erfindung erzeugten Überzugsschicht kann die Bearbeitung des überzogenen Gegenstands mit Glasperlen als ein Verfahrensschritt eliminiert werden, insbesondere dann, wenn das Überzugsverfahren mit periodische angelegter und nicht angelegter Vorspannung oder das Verfahren mit Vorspannung über die gesamte Zeit benutzt wird. Das Vorhandensein von wenigstens einer einen geringen Aluminiumgehalt aufweisenden duktilen MCrAlY-Schicht zwischen dem Substrat und der äußeren, einen höheren Aluminiumgehalt aufweisenden Schicht sollte die Ausbreitung von Warmrissen zu dem Substrat blockieren und somit die Lebensdauer des überzogenen Teils verlängern. Der Gesamteffekt des Verfahrens nach der Erfindung ist die Erzeugung eines überzogenen Teils von höherer Qualität zu beträchtlich niedrigeren Kosten. Die vorstehend angegebenen Vorteile machen das Verfahren nach der Erfindung für die Herstellung von großen Mengen von überzogenen Gasturbinentriebwerksteilen, wie mit MCrAlY überzogenen Turbinenschaufeln, besonders attraktiv.

Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die Bedampfung im Vakuum beschränkt. Sie findet breite Anwendung bei anderen Überzugsverfahren, wie beispielsweise der Zerstäubung, bei welcher die Abscheidung erfolgt, indem das Substrat einem Metalldampf ausgesetzt wird. Bei den Zerstäubungsüberzugsverfahren, bei welchen ein Teil des von dem Ausgangsmaterial ausgehenden Metalldampfes ionisiert wird, kann es möglich sein, auf die in Fig. 1 gezeigte Anode 34 zu verzichten. Bei diesen Verfahren ist das Vorspannen des Substrats allein mit der vorgeschriebenen niedrigen negativen Spannung, während es dem teilweise ionisierten Dampf

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ausgesetzt ist, ausreichend, um die Ergebnisse und Vorteile der Erfindung zu erzielen. Ebenso wie bei der Bedampfung
im Vakuum wird sich die Verringerung des Aluminiumgehalts des Zerstäubungsüberzugs, so wie er aufgetragen wird,
mit dem Vorspannungspotential des Substrats ändern. Durch Kontrollieren des Vorspannungspotentials kann somit der
Aluminiumgehalt der durch Zerstäubung aufgebrachten Überzugsschicht direkt kontrolliert werden. Außerdem kann das Vorspannungspotential des Substrats, während es dem teilweise ionisierten Dampf ausgesetzt ist, kontinuierlich
variiert werden, um eine mehr oder weniger Aluminium enthaltende MCrAlY-Überzugsschicht zu erzeugen.

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Claims

UNITED TECHNOLOGIES CORPORATION Hartford, Connecticut 06101, V..St.A.

Patentansprüche :

1 / Verfahren zum Abscheiden einer Aluminium enthaltenden

*—

Legierungsüberzugsschicht aus einem Metalldampf auf ein Substrat, wobei sich in der Überzugsschicht Leitfehlstellen während der Abscheidung und Warmrisse während eines Hochtemperaturbetriebes bilden können, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusammensetzung und das Gefüge der Überzugsschicht während der Abscheidung dadurch geändert werden, daß das Substrat auf ein niedriges negatives Potential gegen Erde vorgespannt wird, während der Dampf, welchem das Substrat ausgesetzt ist, wenigstens teilweise ionisiert wird, wobei aufgrund des Vorspannens des Substrats das Abscheiden einer Überzugsschicht bewirkt wird, die im wesentlichen frei von Leitfehlstellen ist und einen geringeren Aluminiumgehalt und infolgedessen eine verbesserte Duktilität und eine bessere Beständigkeit gegen Rißbildung hat.

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2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Dampf aus einem einzigen Ausgangsmaterial erzeugt wird, welches eine Zusammensetzung des MCrAlY-Typs hat.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat auf ein niedriges negatives Potential von etwa 10V bis etwa 80 V vorgespannt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Dampf durch Zerstäubung des Ausgangsmaterials gebildet wird, wobei der zerstäubte Dampf selbst wenigstens teilweise ionisiert wird.
5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Dampf durch thermische Verdampfung des Ausgangsmaterials erzeugt wird. ·
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ionisation des thermisch erzeugten Dampfes durch Vorspannen einer Anode auf ein niedriges positives Potential gegen Erde und durch Herstellen eines Kontakts zwischen der vorgespannten Anode und einem Teil des Metalldampfes erfolgt.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Anode auf ein niedriges positives Potential von etwa 10 V bis etwa 40 V vorgespannt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 1 zum Überziehen eines Substrats mit einer oxydationsbeständigen, -Aluminium enthaltenden Legierungsüberzugsschicht, dadurch gekennzeichnet, daß für eine vorgewählte Zeitspanne

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während der Abscheidung das Substrat auf ein niedriges negatives Potential gegen Erde vorgespannt wird, während wenigstens ein Teil des Dampfes ionisiert wird, um eine zusammensetzungsmäßig und gefügemäßig modifizierte Überzugsschicht zwischen dem Substrat und einer äußeren oxydationsbeständigen Überzugsschicht von normaler -₆Zusammensetzung abzuscheiden, wobei die mit Vorspannung abgeschiedene Zwi—. schenschicht im wesentlichen frei von Leitfehlstellen ist' , und einen im Vergleich zu der äußeren oxydationsbeständigen Schicht ausreichend verringerten Aluminiumgehalt hat, um die Zwischenschicht duktil "zu machen, wodurch die Zwischenschicht als ein bevorzugtes sekundäres Substrat während des anschließenden Überziehens dient, um die Anzahl und den Umfang von Leitfehlstellen in der darauf.abgeschiedenen oxydationsbeständigen Schicht zu verringern, und als eine' duktile Sperrschicht während eines späteren Hochtemperaturbetriebes, um eine Warmrißausbreitung zu dem Substrat zu blockieren.
9· Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Metalldampf durch Zerstäubung eines einzigen Ausgangsmaterials gebildet wird, das eine Zusammensetzung des MCrAlY-Typs hat.
10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,

daß der Metalldampf durch thermische Verdampfung eines einzigen Ausgangsmaterials erzeugt wird, welches eine Zusammensetzung des MCrAlY-Typs hat.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Ionisierung des thermisch erzeugten Dampfes durch Vorspannen einer Anode auf ein niedriges positives Poten—

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tial gegen Erde und durch Herstellen eines Kontaktes zwischen der vorgespannten Anode und wenigstens einem Teil des Metalldampfes erfolgt.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das zu überziehende Substrat ein Superlegierungsgas turbinenflügelprofil ist.
13. Verfahren nach Anspruch 1 zum Überziehen eines Substrats mit einer oxydations- und warmrißbeständigen Überzugsschicht des MCrAlY-Typs, wobei das Überziehen dadurch erfolgt, daß das Substrat einem Metalldampf ausgesetzt wird, dadurch gekennzeichnet,

a) daß am Anfang für eine vorgewählte Zeit das Substrat auf ein niedriges negatives Potential gegen Erde vorgespannt wird, während ein Teil des Dampfes ionisiert wird, um eine zusammensetzungsmäßig und gefügemäßig modifizierte Überzugsschicht zuerst auf das Substrat abzuscheiden, wobei in der modifizierten Schicht die MCrAlY-Zusammensetzung im Vergleich zu einer MCrAlY-Schicht von normaler Zusammensetzung einen ausreichend verringerten Aluminiumgehalt hat, um die Schicht duktil zu machen, und wobei die modifizierte Schicht im wesentlichen frei von Leitfehlstellen ist, und

b) daß die Vorspannung des Substrats für den übrigen Teil der Abscheidung abgeschaltet wird, um eine oxydationsbeständige MCrAlY-Überzugsschicht von normaler Zusammensetzung auf die erste modifizierte Schicht abzuscheiden, wobei die erste Schicht als ein bevorzugtes sekundäres Substrat während der anschließenden Abscheidung dient, um die Anzahl und.den Umfang von Leitfehlstellen in der darauf abgeschiedenen oxydationsbeständigen Schicht zu ver-

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ringern, und als eine duktile Sperrschicht während eines späteren Hochtemperaturbetriebes, um eine Warmrißausbrei-"tung zu dem Substrat zu blockieren.
14· Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Metalldampf durch Zerstäubung aus einem einzigen Ausgangsmaterial gewonnen wird, das die MCrAlY-Zusammensetzung hat.
15. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Metalldampf durch thermische Verdampfung eines einzigen Ausgangsmaterials erzeugt wird, das die MCrAlY-Zusammensetzung hat.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Ionisierung des thermisch erzeugten Dampfes bewirkt wird, indem eine Anode auf ein niedriges positives Potential gegen Erde vorgespannt und ein Kontakt zwischen .der vorgespannten Anode und wenigstens einem Teil des Metalldampfes hergestellt wird.
17· Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Schritte a) und b) der Reihe nach wiederholt werden, wobei der Schritt b) der letzte Abscheidungsschritt ist, bis eine Überzugsschicht von gewünschter Dicke abgeschieden ist, die ein lamellares Gefüge aus den duktilen und oxydationsbeständigen Schichten in abwechselnder Reihenfolge aufweist und im überwiegenden Teil ihrer Dicke im wesentlichen frei von Leitfehlstellen ist.
18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat für kurze Zeitintervalle, im Vergleich

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zu denjenigen Intervallen, wenn die Vorspannung abgeschaltet ist, vorgespannt wird, so daß die duktilen, modifizierten Schichten im Vergleich zu den MCrAlY-Schichten normaler Zusammensetzung dünn sind und die Gesamtzusammensetzung der Überzugsschicht dadurch der MCrAlY-Zusammensetzung eng angenähert wird.
19. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Metalldampf durch Zerstäubung aus einem einzigen Ausgangsmaterial gewonnen wird, das die MCrAlY-Zusammensetzung hat.
20. Verfahren nach Anspruch 17» dadurch gekennzeichnet, daß der Metalldampf durch thermische Verdampfung eines einzigen Ausgangsmaterials erzeugt wird, das die MCrAlY-Zusammensetzung hat.
21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Ionisierung des thermisch erzeugten Dampfes durch Vorspannen einer Anode auf ein niedriges positives Potential gegen Erde und .durch Herstellen eines Kontaktes zwischen der vorgespannten Anode und wenigstens einem Teil des Metalldampfes erfolgt.
22. Verfahren nach Anspruch 1 zum Überziehen eines Substrats mit einer oxydationsbeständigen Überzugsschicht des MCrAlY-Typs, wobei die Abscheidung der Überzugsschicht dadurch erfolgt, daß das Substrat einem Metalldampf ausgesetzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß eine im wesentlichen ader- oder leitfehlstellenfreie MCrAlY-Überzugsschi'cht dadurch abgeschieden wird,

a) daß ein Metalldampf aus einem Ausgangsmaterial erzeugt

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wird, welches die gewünschte MCrAlY-Zusammensetzung,, mit Ausnahme eines erhöhten Aluminiumgehalts, hat, und

b) daß das Substrat auf ein niedriges negatives Potential gegen Erde vorgespannt wird, während ein Teil des Dampfes ionisiert wird, bis die gewünschte Überzugsschichtdicke abgeschieden ist, wobei durch das Vorspannen bewirkt wird, daß die Überzugsschicht im wesentlichen keine Leitfehlstellen im überwiegenden Teil ihrer Dicke aufweist und daß eine Verringerung des Aluminiumgehalts von dem Ausgangsmaterial zu dem Substrat erfolgt, so daß die Überzugsschicht die gewünschte MCrAlY-Zusammensetzung hat. ■
23. Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß der Metalldampf·aus einem einzigen Ausgangsmaterial durch Zerstäubung gewonnen, wird, das die MCrAlY-Zusammensetzung mit erhöhtem Aluminiumgehalt hat.
24. Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß der Metalldampf durch thermische Verdampfung eines ein* zigen Ausgangsmaterials erzeugt wird, welches die MCrAlY-Zusammensetzung mit erhöhtem Aluminiumgehalt hat.

25· Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Ionisierung des thermisch erzeugten Dampfes durch Vorspannen einer Anode auf ein niedriges positives Potential gegen Erde und durch Herstellen eines Kontaktes zwischen der vorgespannten Anode und wenigstens einem Teil des Metalldampfes erfolgt.

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