DE102009035841A1

DE102009035841A1 - Verfahren zur Herstellung einer Oxidationsschutz- und Wärmedämmschicht auf hohen Temperaturen ausgesetzten Substraten

Info

Publication number: DE102009035841A1
Application number: DE102009035841A
Authority: DE
Inventors: Matthäus Götz
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2009-08-01
Filing date: 2009-08-01
Publication date: 2011-02-03

Abstract

Zur Herstellung einer Oxidationsschutz- und Wärmedämmschicht auf hohen Temperaturen ausgesetzten Substraten, wie Gasturbinenschaufeln, Platten von Brennkammern, wird ein Verfahren angegeben, welches sich dadurch auszeichnet, dass zunächst zwei aus Submikronenpartikeln bzw. Nanopartikeln bestehende unterschiedliche Pulver hergestellt, aus den Pulvern durch Hinzufügen einer Flüssigkeit, insbesondere von Alkohol, und Zusatz eines die Oberflächenspannung reduzierenden Additives je eine Suspension hergestellt und die Suspensionen nacheinander mittels einer Plasmaanlage, insbesondere mittels axialen Plasmas, auf das Substrat aufgespritzt werden.

Description

Die Erfindung richtet sich auf ein Verfahren der im Oberbegriff des Anspruches 1 angegebenen Gattung sowie auf entsprechende, mit Oxidationsschutz- und Wärmedämmschichten vergleichweise sehr hohen Temperaturen ausgesetzten Bauteilen, wie Gasturbinenteile, Gasturbinenschaufeln, Platten von Brennkammern od. dgl. Da diese Bauteile Temperaturen von über 800°C ausgesetzt werden, ist man bemüht, diese Bauteile möglichst mit einer Wärmedämmschicht zu versehen, was unter anderem mit wärmedämmenden Glas-Metall/Keramik-Schichten geschieht, wie dies beispielsweise in der DE 198 52 285 C1 ausführlich beschrieben ist, mit weiteren, zum Stand der Technik gehörenden Literaturangaben.
In dieser gattungsbildenen Druckschrift wird auch das Problem erwähnt, dass sogenannte YSZ-Schichten (Yttrim stabilisiertes Zirkonoxid) in einer Säulenstruktur zwar vor hohen Temperaturen, nicht aber vor einer Oxidation der Substratoberfläche schützen können.
Zur Lösung dieses Oxidations-/Wärmedämm-/Schutzproblemes wird in dieser Literaturstelle vorgeschlagen, dass die wärmedämmende Schicht aus 10 bis 90 Massenprozent aus Glas und darüber hinaus aus einer Keramik und/oder Metall und/oder einer Metallegierung besteht.
Führt diese Vorgehensweise schon zu verbesserten Ergebnissen, so liegen einige Probleme in den bestimmten Schichtaufbauten.
Eine sogenannte Suspensions-APS-Glas-Metall-Schicht weist eine hohe Haftung auf glatten und metallischen Substratoberflächen, wie Turbinenschaufeln od. dgl., auf. Auch gibt es einen angepassten Ausdehnungskoeffizenten relativ zum Substrat. Die Kriechfähigkeit oberhalb von 600°C erlaubt den Abbau von Eigenspannungen, wobei eine hohe Temperaturschockbeständigkeit besteht. Auch gibt es keine Bildung einer TGO-(Terminal Grown Oxid)Schicht zwischen Oxidations- und Wärmedämmschicht bei gleichzeitig preisgünstiger Herstellung.
Ein besonderer Nachteil besteht aber in einer höheren Wärmreleitfähigkeit als bei einer YSZ-Schicht.
Diese YSZ-Suspensions-APS-Wärmedämmschicht weist ebenfalls für sich gesehen einige Vorteile auf, nämlich eine hohe Haftung auf glatten Metall-Schichten und einen feinen kolumnarer Schichtaufbau auf glatten Oberflächen, so dass diese Schichtstruktur ein günstiges thermischen Ausdehnungsverhalten gewährleistet bei hoher Thermoschockbeständigkeit und niedriger Wärmeleitfähigkeit.
Ein besonderer Nachteil dieser Schicht besteht aber in der Durchlässigkeit für Sauerstoff mit einhergehendem Oxidationsproblem.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung, einer Lösung, mit der die oben beschriebenen, den einzelnen Schichten anhaftenden Nachteilen im besonderen Maße vermeidbar sind.
Mit einem Verfahren der eingangs bezeichneten Art wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung dadruch gelöst, dass zunächst zwei aus Submikronenparktikeln bzw. Nanopartikeln bestehende unterschiedliche Pulver hergestellt, aus den Pulvern durch Hinzufügen einer Flüssigkeit, insbesondere von Alkohol, und Zusatz eines die Oberflächenspannung reduzierenden Additives je eine Suspension hergestellt und die Suspensionen nacheinander mittels einer Plasmaanlage, insbesondere mittels axialen Plasmas, auf das Substrat aufgespritzt werden.
Es hat sich gezeigt, dass mit der erfindungs gemäßen Vorgehensweise eine Kombinationsschicht geschaffen werden kann, die eine Fülle von Vorteilen aufweist: Niedrige Wärmeleitfähigkeit, hohe Haftung auf glatten metallischen Substraten, hohe Thermoschockbeständigkeit, an das Substrat angepasster Ausdehnungskoeffizient, Kriechfähigkeit oberhalb 600°C erlaubt den Abbau von Eigenspannungen, feiner kolumnarer Schichtaufbau der Deckschicht, kolumnare Schichtstruktur erlaubt günstiges thermisches Ausdehnungsverhalten der Deckschicht, gasdichte Sauerstoffsperrschicht, keine Bildung einer TGO (Thermal Grown Oxide) zwischen Oxidationsschutzschicht und Wärmedämmschicht, gleicher Beschichtungsprozess für die Haft- und Deckschicht, atmosphärischer Herstellungsprozess, preisgünstige Herstellungsmethode.
Gleichzeitig mit der erfindungsgemäßen Verfahrensweise lassen sich dünne Schutzschichten aus Glas-Metall-Oxid (GMO) von 30 μm bis 50 μm erreichen, aber auch dünne Kombinationsschichten von beispielsweise 0,2 mm bis 0,3 mm mit Haftschicht aus Glas-Metall-Oxid (GMO) 30 μm bis 50 μm und YZS (150 μm bis 250 μm) mit säulenförmigem Aufbau.
Neben diesen dünnen Kombinationsschichten lassen sich aber auch mit der Erfindung vergleichweise dickere Kombinationsschichten erzeugen von 3 mm bis 5 mm mit Haftungsschicht aus Glas-Metall-Oxid 30 μm bis 150 μm (GMO) und einer Deckschicht aus YSZ mit säulenförmigem Aufbau von 3 mm bis 5 mm.
An dieser Stelle sei bemerkt, dass von der Partikelgröße der Pulverpartikel erfindungsgemäß auch abgewichen werden kann. So können auch Partikel oberhalb der Größe der Submikronpartikel, d. h. Partikel größer als 1 μm, je nach Verwendungszweck und Belastung des jeweiligen beschichteten Substrates z. B. 10 μm bis 5 μm erzeugt werden, um nur ein Beispiel zu nennen.
Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, so kann in Ausgestaltung vorgesehen sein, dass ein erstes Pulver aus Aluminium-SiO₂ + YSZ + CONiCrAIY in einer Körnung von 10 bis 80 μm hergestellt wird. Es hat sich herausgestellt, dass ein besonders guter Schichtaufbau durch Aufspritzen der Suspension in einer Plasmaanlage, mittels axialem Plasma erzielbar ist.
Die Erfindung sieht auch vor, dass die Pulver durch mechanisches Mahlen in einer Kugelmühle erzeugt werden, ohne dass die Erfindung auf diese Art Pulvererzeugung eingeschränkt wäre.
Es hat sich gezeigt, dass sich nach Aufbringen der ersten Schicht auf die Substratoberfläche, ohne eine weitere Behandlung in der zweiten Schicht, eine vergleichsweise dicke säulenartige (kolumnare) Schichtstruktur ergibt. Wird aber die Oberfläche besonders geglättet, insbesondere poliert, so lassen sich vergleichsweise dünne YSZ-Schichten mittels Plasmaspritzen aufbringen.
Die Erfindung sieht auch entsprechend ausgerüstete Bauteile vor, deren Oberfläche nach dem erfindungsgemäßen Verfahren behandelt wurden, um die entsprechenden Beschichtungen zu erzeugen.
Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aufgrund der nachfolgenden Beschreibung sowie anhand der Zeichnung, diese zeigt in
1 einen Prinzipablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie in
2 und 3 zwei unterschiedliche prinzipielle Schnittbilder durch die erzeugten Schichten.
Wie sich aus 1 ergibt, wird zunächst in einer Kugelmühle 1, wobei in 1 alle Elemente lediglich symbolisch dargestellt sind, ein erstes Pulver z. B. aus Submikronenpartikeln 2 hergestellt, welches dann mit einer Flüssigkeit, z. B. einem Alkohol 3, zu einer spritzbaren Suspension verarbeitet wird.
In einer nicht näher dargestellten Plasmaanlage wird diese Suspension dann im axialen Auftrag auf ein Substrat, z. B. eine Turbinenschaufel 4, aufgespritzt, wobei die axiale Arbeitsweise der Plasmaanlage durch einen Pfeil 5 angedeutet ist.
In einer zweiten Kugelmühle bzw. in einem zweiten Mahlgang in der gleichen Kugelmühle, in 1 daher mit 1a bezeichnet, wird ein zweites Pulver z. B. aus Nanopartikeln hergestellt. Dieses Pulver 6 wird dann wiederum mit einer Flüssigkeit, z. B. einem Alkohol 3a, zu einer weiteren zweiten Suspension verarbeitet, die dann in einer anderen, oder dergleichen, Plasmaanlage axial (Pfeil 5a) auf das mit der bereits mit der ersten Schicht versehenene Substrat, z. B. die Turbinenschaufel 4 aufgespritzt. Durch diese Verfahrensweise wird das Substrat 4 mit zwei übereinander liegenden Schichten ausgerüstet, die in den 2 und 3 symbolisch wiedergegeben sind.
2 zeigt schematisch die Schnittzeichnung durch einen Teilbereich eines Substrates 4, auf das eine erste Schicht aus Aluminium-SIO₂ + YSZ + CoNiCrAIY aufgebracht wurde, diese Mischschicht ist mit 6 bezeichnet. Auf diese Schicht wird dann eine zweite YSZ-Schicht aufgebracht, was mit 7 bezeichnet ist, wobei diese Schicht eine stäbchenförmige, d. h. kolumnare Schichtstruktur aufweist, was durch einzelne Balken angedeutet ist.
Aufgrund der Oberflächenrauhigkeit der ersten Schicht 6, diese rauhe Oberfläche ist mit 6a bezeichnet, bilden sich vergleichsweise dicke Schichten 7 aus.
Demgegenüber zeigt 3 eine Beschichtung eines Substrates 4' mit einer ersten APS-Wärmedämmschicht 6, die hier allerdings eine geschliffene Oberfläche 6b aufweist. Auf diese geschliffene Oberfläche 6b wird dann die zweite Suspension aufgespritzt, so dass sich kürzere, feinere stabförmige Strukturen in dieser zweiten Schicht ausbilden, was mit 7a in 3 bezeichnet ist.
Natürlich sind die beschriebenen Ausführungsbeispiele der Erfindung noch in vielfacher Hinsicht abzuändern, ohne den Grundgedanken zu verlassen. So ist die Erfindung insbesondere, wie weiter oben schon angegeben, nicht auf bestimmte Partikelgrößen beschränkt, auch nicht auf eine bestimmte Flüssigkeit zur Bildung der Suspension, wobei sich die hier angegebenen Bereiche und die Flüssigkeit als vorteilhaft erwiesen haben.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 19852285 C1 [0001]

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Oxidationsschutz- und Wärmedämmschicht auf hohen Temperaturen ausgesetzten Substraten, wie Gasturbinenschaufeln, Platten von Brennkammern od. dgl., dadurch gekennzeichnet, dass zunächst zwei aus Submikronenpartikeln bzw. Nanopartikeln bestehende unterschiedliche Pulver hergestellt, aus den Pulvern durch Hinzufügen einer Flüssigkeit, insbesondere von Alkohol, und Zusatz eines die Oberflächenspannung reduzierenden Additives je eine Suspension hergestellt und die Suspensionen nacheinander mittels einer Plasmaanlage, insbesondere mittels axialen Plasmas, auf das Substrat aufgespritzt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein erstes Pulver aus Aluminium-SiO₂ + YSZ + CONiCrAIY in einer Körnung von 10 μm bis 80 μm hergestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweites Pulver aus YSZ (Yttrim stabilisiertes Zirkonoxid) in einer Körnung von 10 μm bis 80 μm hergestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Pulver durch mechanisches Mahlen in einer Kugelmühle erzeugt werden.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass vor Aufbringen der zweiten Schicht die Oberfläche der ersten Schicht geglättet, insbesondere poliert wird.
Turbinenschaufel mit einer Oxidationsschutz- und Wärmedämmschicht auf ihrer Oberfläche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche erzeugt wurde.
Brennkammerplatte mit einer Oxidationsschutz- und Wärmedämmschicht auf ihrer Oberfläche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche erzeugt wurde.