DE102009015154B4 - Wärmedämmschutzbauteile - Google Patents

Abstract

Wärmedämmschutzbauteil auf der Basis von oxidischen Keramiken, ZrO, LaZrO, SiO, α-AlO, MgO, Glimmer, Alumosilikaten und/ oder Mullit auf einem Substrat, dadurch gekennzeichnet, das die Wärmedämmschicht IR-Strahlung reflektierende Metallkomponenten, umfassend metallische Folien, metallische Flitter, metallische Partikel, metallische Pulver und/oder metallische Fasern, enthält, wobei die Masse der Metallkomponenten, bezogen auf die Masse des Wärmedämmschutzbauteils < 1% beträgt.

Description

• Gegenstand der Erfindung ist ein Wärmedämmschutzbauteil zum Einsatz bei Temperaturen oberhalb 900°C auf der Basis oxidischer Keramiken auf einem Substrat.
• EP 1 801 404 A2 betrifft ein Hitzeschild zur Montage an einem wärmestrahlenden Gegenstand, insbesondere an einem Raketentriebwerk. Dieses Patent beschreibt eine Konstruktion, jedoch kein Materialsystem für Wärmedämmschichten.
• EP 0 824 606 B1 / DE 696 13 835 T2 beschreibt eine poröse Wärmedämmschicht für Substrate aus Superlegierungen und insbesondere eine mehrschichtige keramische Wärmedämmschicht mit geringer Wärmeleitfähigkeit für Laufschaufeln und Leitschaufeln aus Superlegierungen in Gasturbinenmotoren. Die keramische Wärmedämmschicht weist einen ersten Teil mit unstabilisierter Porosität, einen über dem ersten Teil liegenden zweiten Teil mit stabilisierter Porosität und gegebenenfalls einen äußeren Teil auf, in dem die Poren mit einem Edelmetall beschichtet sind. Durch den Teil mit stabilisierter Porosität soll die Wärmeleitfähigkeit der Keramikschicht verringert werden. Die Edelmetallbeschichtung der Poren soll die Wärmeleitfähigkeit noch weiter absenken.
• DE 197 48 260 A1 betrifft eine Brennkammer, insbesondere für Gas-Warmwasserbereiter und Gas- Heizungsgerätebrenner. Die Brennkammer ist dadurch gekennzeichnet, dass eine selbsttragende hochtemperaturfeste keramische Wärmeisolationsplatte mit geringer Wärmeleitfähigkeit gebildet ist, welche auf ihre Innenwandfläche mit einer infrarotreflektierenden Schicht beschichtet ist. Die Einsatztemperatur beträgt weniger als 300 °Celsius.
• DE 37 05 440 C2 betrifft eine Wärmeisolierung für hohe Temperaturen. Beansprucht wird eine Wärmeisolierung zum Schutz gegen zeitlich begrenzte Hitzeeinwirkung, bestehend aus mehreren Reflexionsschichten aus einem keramischen Material, wobei die Wärmeisolierung dadurch gekennzeichnet ist, dass die Reflexionsschichten jeweils aus einem imprägnierten und gebranntem Stapel von Einzelfaserlagen bestehen.
• Die Reduzierung des Durchgangs von Wärme durch ein Wärmedämmschutzsystem auf oxidischer Basis im Temperaturbereich oberhalb 900°C (exemplarische Anwendungsbereiche: TBC- Wärmedämmschichten auf Turbinenschaufeln oder CMC- Wärmeschutzschindeln) erfolgt bisher ausschließlich durch die Reduzierung der spezifischen Wärmeleitfähigkeit des verwendeten Materialsystems (beispielsweise durch heterogene Materialsysteme sowie durch Dotierungen) sowie durch Modifizierung des Gefüges der Wärmedämmschicht (beispielsweise durch Erhöhung der Porosität und anderer Makroeffekte sowie durch das dendritische Kristallwachstum der oxidischen Wärmedämmschichten).
• DE 37 41 732 C1 bezieht sich auf ein Wärmedämmschutzbauteil zum Einsatz bei Temperaturen oberhalb 900°C auf der Basis oxidischer Keramiken auf einem Substrat sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung.
• DE 10 2004 034 490 A1 betrifft ein Wärmedämmschutzbauteil zum Einsatz bei Temperaturen oberhalb 900°C auf der Basis oxidischer Keramiken auf einem Substrat sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung.
• Bekanntermaßen kann Wärmeenergie durch Wärmeleitung, Wärmeströmung (Konvektion) und Wärmestrahlung transportiert werden.
• - Wärmeleitung erfolgt in Materie durch Energieübertragung aufgrund von Gitterschwingungen in Folge von Molekülstößen und durch Elektronbewegungen.
• - Wärmeströmung setzt makroskopische Bewegungen in Festkörpern, Flüssigkeiten oder Gasen voraus, deren Wärmeinhalt so an andere Stelle transportiert wird.
• - Wärmestrahlung ist von elektromagnetischer Natur. Die Abgabe der Wärmestrahlung ist nur von dem Emissionsvermögen und der Temperatur des strahlenden Körpers abhängig. Für die Energiebilanz ist jedoch auch die Rückstrahlung der Umgebung zu berücksichtigen.
• Unter der Annahme, dass die Wärmestrahlung eine Spektralverteilung aufweist, die im wesentlichen der Planck'schen Strahlungskurve entspricht, die ihrerseits für die betreffende Oberflächentemperatur gültig ist, so folgt für die spektrale spezifische Ausstrahlung eines Schwarzen Körpers bei der absoluten Temperatur T, von einem Flächenelement dA, im Wellenlängenintervall dλ, bei einer Wellenlänge λ: $$M_{\lambda }^0\left(\lambda ,T\right)dAd\lambda =\frac{2\pi h{c}^2}{{\lambda }^5}\frac{1}{\text{exp}\left[\frac{hc}{\lambda kT}\right]-1}dAd\lambda$$

  

  wobei für die Naturkonstanten gilt: $$h=\mathrm{6,626}\cdot {10}^{-34}{}_{\text{Js}}=\mathrm{4,136}\cdot {10}^{-15}{}_{\text{eVs}}$$

  

  $$k=\mathrm{1,381}\cdot {10}^{-23}{}_{\text{J/K}\mathrm{=}}\mathrm{8,617}\cdot {10}^{-5}{}_{\text{eV/K}}$$

  

  $$c={299792458}_{\text{m/s}}$$

  
• Nullsetzen der Ableitung nach der Wellenlänge λ liefert das Maximum λ_max der spektralen spezifischen Ausstrahlung: $${\lambda }_{\text{max}}=\frac{\mathrm{2897,8}\mu mK}{T}$$

  

  (Wiensches Verschiebungsgesetz)
• Oxidische Verbindungen wie ZrO₂, La₂Zr₂O₇, SiO₂, α-Al₂O₃, MgO, Glimmer, Alumosilikate oder Mullit, welche zurzeit für die genannten Wärmedämmschutzsysteme eingesetzt werden, sind für elektromagnetische Strahlung mit Wellenlängen unterhalb von etwa λ = 6 µm in einem hohen Grade durchlässig, d.h. semitransparent. Erst oberhalb eines Wellenlängenbereiches ab ungefähr λ = 6 µm (Absorptionskante) werden die genannten oxidischen Verbindungen absorbierend.
• In einer Brennkammer, welche idealerweise einem schwarzen Hohlraumstrahler entspricht, liegt das Maximum der spektralen spezifischen Ausstrahlung bei einer Einsatztemperatur von T = 1000°C (1273 K) bei λ_max = 2,3 µm. Bei Temperaturen oberhalb T = 1000°C verschiebt sich λ_max zu niedrigeren Wellenlängen. Es ist sofort ersichtlich, dass die Wärmestrahlung die semitransparenten oxidischen Wärmedämmschutzsysteme nahezu ungehindert passiert beziehungsweise durchdringt und somit zu einem erheblichen Wärmetransport beiträgt.
• Dementsprechend besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein Wärmedämmschutzbauteil auf der Basis oxidischer Keramiken und metallischer Komponenten zur Verfügung zu stellen, das durch den Einbau metallischer Komponenten in das semitransparente Wärmedämmschutzbauteil eine Erhöhung der Reflexion der Wärmestrahlung und somit eine Erhöhung der integralen Wärmedämmwirkung erreicht. Die Reflexion von Wärmestrahlung zurück in die heißen Bereiche bedeutet eine effektive Reduktion der Wärmeübertragung durch das Wärmedämmschutzbauteil hindurch, insbesondere bei erhöhten Betriebstemperaturen, zum Beispiel bei Temperaturen oberhalb von 900°C. Hierdurch werden Wirkungsgrad und Wirtschaftlichkeit erhöht.
• Die vorgenannte Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird in einer ersten Ausführungsform gelöst durch ein Wärmedämmschutzbauteil mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
• Der wesentliche Kern der vorliegenden Erfindung ist die Verbesserung der Wärmedämmschutzwirkung von Wärmedämmschutzbauteilen und Wärmedämmschichten, welche auf semitransparenten Verbindungen basieren, bedingt durch die Abschirmung beziehungsweise Reduzierung der auftretenden Wärmestrahlung durch diese semitransparenten Wärmedämmschutzbauteile und Wärmedämmschichten hindurch.
• Die erfindungsgemäß eingesetzten oxidischen Keramiken umfassen ein Wärmedämmschichtsystem, das dadurch gekennzeichnet ist, dass die oxidischen Keramiken ZrO₂, La₂Zr₂O₇, SiO₂, (α-Al₂O₃, MgO, Glimmer, Alumosilikat und/ oder Mullit umfassen.
• Metalle bzw. metallische Legierungen sind als IR- Strahlung reflektierende Metallkomponenten hierfür wegen der folgenden Materialeigenschaften geeignet:
• - Metalle und metallische Legierungen sind im Allgemeinen IR-reflektierend.
• - Die Eindringtiefe von elektromagnetischer Strahlung ist in Metallen beziehungsweise metallischen Legierungen auf wenige 1/100 µm begrenzt. Daher können derart dünne metallische Schichten eingesetzt werden.
• - Der Einbau von dünnen metallischen Schichten, Flittern, Partikeln oder metallischen Pulvern verändert in semitransparenten Wärmedämmschutzbauteilen den Wärmetransport durch Wärmeleitung fast nicht.
• Des Weiteren müssen die eingebrachten Metallkomponenten folgende Eigenschaften besitzen:
• - Die eingebrachten Metallkomponenten sollen einen niedrigen Emissionsgrad beziehungsweise Absorptionsgrad aufweisen und somit einen hohen Reflexionsgrad besitzen, denn es gilt: $$E+A+R=1$$
  
  mit E der Emissionsgrad, A der Absorptionsgrad und R der Reflexionsgrad.
• - Die eingebrachten Metallkomponenten sollen chemisch nicht mit den anderen eingesetzten Verbindungen der Wärmedämmschutzbauteile reagieren und sollen auch gegenüber bestehenden äußeren chemischen Einflüssen reaktionsbeständig sein.
• - Die eingebrachten Metallkomponenten müssen mit dem Wärmedämmschutzbauteil verträglich sein, zum Beispiel Berücksichtigung der Haftungseigenschaften.
• Bei Verwendung dünner metallischer Komponenten sind im Allgemeinen die thermisch induzierten mechanischen Spannungen vernachlässigbar gering.
• Besonders bevorzugt im Sinne der vorliegenden Erfindung werden Metallkomponenten eingesetzt, die Edelmetalle enthalten, insbesondere aus Edelmetallen bestehen. Besonders bevorzugt in diesem Sinne ist Platin und/ oder Rhodium und/ oder Platinrhodiumlegierung, da diese Edelmetalle eine besonders hohe Wärmebeständigkeit aufweisen.
• Die erfindungsgemäßen Vorkehrungen zur Reduzierung des Strahlungsanteils durch Einbringen von metallischen Komponenten beziehen sich sowohl auf (i) oxidische Wärmedämmschichten, die auf Metallsubstraten aufgebracht sind (Beispiel: TBC- Wärmedämmschicht auf Turbinenschaufeln aus Superlegierungen, TBC = Thermal Barrier Coating), als auch auf (ii) gänzlich aus oxidischen Materialien hergestellten Wärmedämmschutzbauteilen in Form von keramischen CMC- Verbundwerkstoffen (CMC = Ceramic Matrix Composit) sowie auf (iii) keramische CMC-Verbundwerkstoffe (Keramiksubstrate) mit zusätzlich aufgebrachten TBC- und/oder EBC- Schutzschichten (EBC = Environmental Barrier Coating) (Beispiel: Wärmeschutzschindeln aus oxidischen CMC-Materialien mit zusätzlichen TBC- und/oder EBC- Schichten zum Einsatz in Brennkammern von stationären Gasturbinen sowie Flugturbinen).
• Somit wird ein Wärmedämmschutzbauteil zum Schutz gegen Hitzeeinwirkung zur Verfügung gestellt, das keramisches Material mit eingebetteten IR-reflektierenden Metallkomponenten enthält. Erst die Kombination eines solchen Schichtsystems bietet eine ausreichende Wärmedämmschutzfunktion. Zusätzliche Wärmedämmschichten auf der Basis von Yttrium teilstabilisiertem Zirkondioxid werden standardmäßig auf Turbinenschaufeln eingesetzt. Üblicherweise wird dieses keramische Material durch die gängigen Verfahren des Plasmaspritzens und/oder der Elektronstrahlverdampfung hergestellt.
• Das Wärmedämmschutzbauteil ist in einer weiteren Ausführungsform dadurch gekennzeichnet, dass das keramische Material auf der Basis von Yttrium teilstabilisiertem Zirkondioxid mit eingebetteten IR-reflektierenden Metallkomponenten auf einem Substrat, insbesondere aus einer metallischen Superlegierung, abgeschieden ist. Das Substrat ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Haftvermittlerschicht zwischen Superlegierung und Oxidschicht vorhanden ist. Ein besonderes Einsatzgebiet der erfindungsgemäßen Wärmedämmschutzbauteile umfasst Turbinenschaufeln. Dementsprechend ist das Substrat in diesem Fall die Turbinenschaufel selbst. Besonders bevorzugt im Sinne der vorliegenden Erfindung ist die Turbinenschaufel Bestandteil einer Brennkammer einer stationären Gasturbine oder eines Flugtriebwerks.
• In der 1 ist ein erfindungsgemäßes Wärmedämmschutzbauteil auf einem metallischen Substrat dargestellt. Heißgasseitig ist eine TBC-Schicht vorgesehen.
• Dabei steht
• (1) für metallische Folien
• (2) für metallische Flitter
• (3) für metallische Partikel und/ oder Pulver
• (4) für metallische Fasern
• (5) für oxidische Fasern, die teilweise oder vollständig mit reflektierenden Metallkomponenten beschichtet sind
in der keramischen TBC-Schicht, wobei die Metallkomponenten stochastisch verteilt sein können.
• Die Dicke der Wärmedämmschutzbauteile kann je nach Einsatzzweck sehr stark variieren. Besonders bevorzugt im Sinne der vorliegenden Erfindung sind jedoch Wärmedämmschutzbauteile wenn diese eine Dicke von 100 bis 1000 µm aufweisen.
• In der 2 ist ein Wärmedämmschutzbauteil auf einem Substrat in Form eines keramischen CMC-Verbundwekstoffes dargestellt. Heißgasseitig ist hier weiterhin eine TBC-/ EBC- Schicht vorgesehen. Dabei steht das -- Symbol der gestrichelten Linien für IR- reflektierende Komponenten, insbesondere Folien und/oder Flitter und/oder Partikel und/oder Pulver und/oder Fasern.
• (6) steht dabei für Metallkomponenten in der Matrix des keramischen CMC Bauteils selbst, wobei die Folien und/ oder Flitter und/ oder Partikel und/oder Pulver und/ oder Fasern stochastisch innerhalb der Schicht verteilt sein können.
• (7) steht hierbei für infrarotreflektierende Metallkomponenten in der Matrix, die einlaminierten Folien entsprechen.
• (8) steht hierbei für infrarotreflektierende Metallkomponenten auf den in dem CMC Substrat anwesenden oxidischen Fasern, die gegebenenfalls auch zur Faserbündeln zusammengefasst werden können. Die vorhandenen oxidischen Fasern können dabei teilweise oder vollständig mit reflektierenden Metallkomponenten beschichtet sein.
• (9) steht für infrarotreflektierende Metallkomponenten in Form von metallischen Fasern und/ oder Faserbündeln.
• (10) steht dabei für infrarotreflektierende Metallkomponenten in der zusätzlichen TBC-/ EBC- Schutzschicht. Auch hier können die Metallkomponenten in Form von Folien und/oder Flittern und/oder Partikeln und/oder Pulver und/ oder Fasern stochastisch in der Schicht verteilt sein.
• (11) steht hierbei für infrarotreflektierende Metallkomponenten auf der Oberfläche der Wärmedämmschutzbauteile, die der Heißgasseite zugewandt ist.
• Im vorliegenden Fall, das heißt in 2, werden diese auf der TBC-/ EBC-Schicht aufgebracht.
• (12) steht hierbei für infrarotreflektierende Metallkomponenten auf der Unterseite des Wärmedämmbauteils, das heißt der gekühlten Seite zugewandt. Hier befindet sich im Allgemeinen die metallische Trägerwand.
• Die Masse der in dem Wärmedämmschutzbauteil vorhandenen Metallkomponenten ist von geringerer Bedeutung. Wichtig ist vielmehr, dass eine möglichst umfassende flächenmäßige Abdeckung zur Reflexion der Wärmestrahlung erreicht wird. Dementsprechend ist es besonders bevorzugt im Sinne der vorliegenden Erfindung, wenn die Masse der Metallkomponenten, bezogen auf die Masse des Wärmedämmschichtsystems möglichst gering ist (beispielsweise < 1 %), hingegen die Oberfläche (beispielsweise von Folien und/ oder Flittern) möglichst groß ist.
• Wie bereits oben dargestellt, ist es im Sinne der vorliegenden Erfindung besonders bevorzugt, wenn das Wärmedämmschutzbauteil eine TBC-Wärmedämmschicht, eine EBC- Schicht oder einen CMC- Verbundwerkstoff umfasst.
• Neben den im Inneren des Wärmedämmschutzbauteils vorhandenen IR-reflektierenden Metallkomponenten können somit die erfindungsgemäßen Wärmedämmschutzbauteile weiterhin heißgasseitig eine TBC-Wärmedämmschicht oder eine EBC- Schicht und substratseitig einen CMC-Verbundwerkstoff umfassen, wobei die genannten Schichten jeweils die IR-Strahlung reflektierenden Metallkomponenten aufweisen können.
• Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass die heißgasseitige und/oder die substratseitige Oberfläche der Wärmedämmschicht zusätzlich IR-Strahlung reflektierende Metallkomponenten, insbesondere Folien und/oder Flitter und/oder Partikel und/oder Pulver und/oder Fasern umfasst.

Claims (10)

1. Wärmedämmschutzbauteil auf der Basis von oxidischen Keramiken, ZrO₂, La₂Zr₂O₇, SiO₂, α-Al₂O₃, MgO, Glimmer, Alumosilikaten und/ oder Mullit auf einem Substrat, dadurch gekennzeichnet, das die Wärmedämmschicht IR-Strahlung reflektierende Metallkomponenten, umfassend metallische Folien, metallische Flitter, metallische Partikel, metallische Pulver und/oder metallische Fasern, enthält, wobei die Masse der Metallkomponenten, bezogen auf die Masse des Wärmedämmschutzbauteils < 1% beträgt.
2. Wärmedämmschutzbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dieses oxidische Fasern aufweist, deren Oberflächen teilweise oder vollständig mit IR-Strahlung reflektierenden Metallkomponenten beschichtet sind.
3. Wärmedämmschutzbauteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass diese Metallkomponenten Platin, Rhodium und/ oder eine Platinrhodiumlegierung enthalten, insbesondere aus Platin, Rhodium und/ oder einer Platinrhodiumlegierung bestehen.
4. Wärmedämmschutzbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass dieses eine TBC-Wärmedämmschicht und/ oder eine EBC-Schicht und/ oder einen keramischen CMC-Verbundwerkstoff umfasst.
5. Wärmedämmschutzbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die TBC-Wärmedämmschichten und/oder die EBC-Schichten eine Dicke von 10 bis 1000 µm aufweisen.
6. Wärmedämmschutzbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass dieses heißgasseitig eine TBC- Wärmedämmschicht und/ oder eine EBC-Schicht und substratseitig einen keramischen CMC-Verbundwerkstoff umfasst, wobei die genannten Schichten sowie der CMC-Verbundwerkstoff jeweils IR-Strahlung reflektierende Metallkomponenten aufweisen.
7. Wärmedämmschutzbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass dieses heißgasseitig und/ oder substratseitig an der Oberfläche IR-Strahlung reflektierende Metallkomponenten, insbesondere metallische Folien, metallische Flitter, metallische Partikel, metallische Pulver und/ oder metallische Fasern umfasst.
8. Wärmedämmschutzbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat eine Turbinenschaufel mit gegebenenfalls einer Haftvermittlerschicht umfasst.
9. Wärmedämmschutzbauteil nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbinenschaufel Bestandteil einer Brennkammer einer stationären Gasturbine oder eines Flugtriebwerks ist.
10. Wärmedämmschutzbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmedämmschutzbauteil Bestandteil einer Brennkammer oder eines Hitzeschildes ist.

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