DE102014208216A1 - CMAS resistente keramische Schicht durch Nanoporosität - Google Patents
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Abstract
Durch die Verwendung einer nanostrukturierten äußeren Schicht allein zum Schutz gegen CMAS wird die Lebensdauer von keramischen Wärmedämmschichten, die einem CMAS-Einfluss unterliegen, deutlich verbessert.
Description
- Die Erfindung betrifft ein keramisches Schichtsystem, das durch Nanoporosität eine höhere Resistenz gegenüber CMAS-Ablagerungen aufweist.
- Es ist bekannt, dass Calcium-Magnesium-Aluminium-Silizium (CMAS) Abscheidungen auf keramischen Schichten wie keramischen Wärmedämmschichten zum Abplatzen der keramischen Schicht führen können.
- Bisher wurden EP-PVD-strukturierte kolumnare Zirkonoxidschichten abgeschieden. Das ist doch sehr aufwendig.
- Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein keramisches Schichtsystem aufzuzeigen, das einfach herzustellen ist und die gewünschten Eigenschaften aufweist.
- Die Aufgabe wird gelöst durch ein keramisches Schichtsystem gemäß Anspruch 1.
- In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Maßnahmen aufgelistet, die beliebig weiter miteinander kombiniert werden können, um weitere Vorteile zu erzielen.
- Es zeigen
-
1 ,2 Ausführungsbeispiele der Erfindung, -
3 eine Liste von Superlegierungen. - Die Figuren und die Beschreibung stellen nur Ausführungsbeispiele der Erfindung dar.
- Die Aufgabe wird gelöst durch eine poröse und nanostrukturierte keramische Schicht, insbesondere eine Pyrochlorschicht.
- Durch die hohe Oberfläche der nanostrukturierten Schicht ist genügend Zeit für das keramische Material gegeben, um mit dem Niederschlag zu reagieren, was zur Verschließung der Poren führt und eine weitere Infiltration der Ablagerung verhindert.
- In
1 ist ein keramisches Schichtsystem1 dargestellt. Das keramische Schichtsystem weist ein Substrat4 , insbesondere aus einer nickel- oder kobaltbasierte Superlegierung (3 ) auf, auf der eine Diffusions- oder Haftvermittlerschicht7 aus einem Metall oder einer Metalllegierung aufgebracht ist. - Dies ist insbesondere bei nickel- oder kobaltbasierten Superlegierungen eine MCrAlX-Legierung (X = Y, Re, Si, Ta und/oder Fe).
- Auf der metallischen Schicht entsteht eine Oxidschicht (nicht dargestellt) beim weiteren Beschichten oder im Einsatz. Ebenso kann die metallische Schicht
7 mit einer Oxidschicht beschichtet werden. - Auf der metallischen Haftvermittlerschicht
7 oder auf der Oxidschicht ist eine keramische wärmedämmende Schicht10 aufgebracht. - Diese keramische, wärmedämmende Schicht
10 ist hier in dem Ausführungsbeispiel einlagig ausgebildet, d. h. besteht aus ein und demselben Material und weist eine gewisse Porosität auf, wobei das verwendete Pulver Korngrößen nur im Mikrometerbereich aufweist und damit auch die wärmedämmende Schicht10 . Dieses mehrere Mikrometer große Pulver wurde durch bekannte thermische Spritzverfahren, insbesondere durch APS, HVOF, LPPS oder VPS aufgetragen. Die Porengröße kann dann auch im Mikrometerbereich liegen. - Die Porosität der keramischen, wärmedämmenden Schicht
10 liegt vorzugweise bei größer gleich 8%. - Vorzugsweise besteht das Material der keramischen Schicht
10 aus teilstabilisiertem Zirkonoxid, insbesondere Yttrium teilstabilisiertem Zirkonoxid. - Erfindungsgemäß ist als äußerste Verunreinigungsschutzschicht
13 eine hochporöse und nanostrukturiere Schicht vorhanden. - In
2 ist ein weiteres keramisches Schichtsystem1‘ gezeigt, das im Gegensatz zu der einlagigen keramischen Wärmedämmschicht10 eine zweilagige keramische Wärmedämmschicht11 ,11‘ aufweist, wobei die Materialien für die keramische Schicht11 und keramische Schicht11‘ verschieden sind. - Die untere keramische Schicht
11 ist vorzugsweise eine Zirkonoxidschicht, insbesondere teilstabilisierte Zirkonoxidschicht, ganz insbesondere Yttrium teilstabilisierte Zirkonoxidschicht, auf der eine Pyrochlorstruktur für die äußere Keramikschicht11‘ aufgebracht ist. - Das Material für die obere keramische Schicht
11‘ kann vorzugsweise eine Pyrochlorstruktur aufweisen, also Gadoliniumzirkonat oder -hafnat aufweisen und damit dasselbe Material für die nanostrukturiere keramische Schicht13 . - Die Porosität der keramischen, wärmedämmenden Schichten
11 ,11‘ liegt vorzugweise bei größer gleich 8% und kann auch verschieden sein. - Die äußerste Verunreinigungsschutzschicht
13 ist auch die äußerste Schicht des Schichtsystem1 ,1‘ . - Das Material für die nanostrukturierte Verunreinigungsschutzschicht
13 (1 ,2 ) ist vorzugweise ein Pyrochlor wie Gadoliniumzirkonat oder Gadoliniumhafnat. - Die äußerste Verunreinigungsschutzschicht
13 weist eine Schichtdicke von mindestens 50µm, insbesondere von mindestens 100µm aufweist und insbesondere höchstens 40% Schichtdicke der keramischen wärmedämmenden Schicht10 auf, d. h. der Beitrag zur Wärmedämmung aufgrund der Schichtdicke ist deutlich geringer. Daher liegt die bevorzugte Schichtdicke bei 100µm bis 300µm. - Solche nanostrukturierten Schichten
13 (1 ,2 ) können auf verschiedene Art und Weise auf die keramische Schicht10 ,11 ,11‘ aufgebracht werden. Dabei können Nanopulver (Korngrößen < 500nm) verwendet und durch entsprechende Verfahren aufgetragen werden. Ebenso können agglomerierte Nanopulver mit den Standardverfahren: APS, HVOF, LPPS oder VPS aufgetragen werden. Andere Verfahren sind ebenfalls denkbar. - Die nanostrukturierte Schicht
13 weist auf jeden Fall einen hohen Anteil, insbesondere zu mindestens 50%, ganz insbesondere zu mindestens 66% an Poren und Kanälen im Nanometerbereich (< 500nm) auf. - Die Porosität der äußeren keramischen Schicht
13 beträgt vorzugsweise mindestens 10%, insbesondere mindestens 15% (1 ,2 ). - Vorzugsweise wird ein solches Schichtsystem (
1 ,2 ) für Turbinenbauteile, insbesondere Gasturbinenbauteile, verwendet. - Porositäten werden vorzugsweise in vol% angegeben.
Claims (10)
- Keramisches Wärmedämmschichtsystem (
1 ,1‘ ) das zumindest aufweist ein Substrat (4 ), insbesondere aus einer nickel- oder kobaltbasierten Superlegierung, eine metallische Schicht (7 ), insbesondere direkt auf dem Substrat (4 ), wobei die metallische Schicht (7 ) insbesondere eine MCrAlX-Legierung aufweist mit X = Y, Re, Si, Ta und/oder Fe, insbesondere wobei auf der metallischen Schicht (7 ) eine Oxidschicht aufgebracht ist oder schon aufwachsen gelassen wurde und wobei auf der Oxidschicht oder auf der metallischen Schicht (7 ) eine keramische, wärmedämmende Schicht (10 ,11 ,11‘ ) aufgebracht ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine äußere, nanostrukturierte Schicht als äußerste Verunreinigungsschutzschicht (13 ) vorhanden ist, die insbesondere keramisch ausgebildet ist, ganz insbesondere eine Pyrochlorstruktur aufweist. - Schichtsystem nach Anspruch 1, bei dem die Schichtdicke der äußersten Verunreinigungsschutzschicht (
13 ) höchstens 40%, insbesondere höchstens 30%, ganz insbesondere höchstens 20% der Dicke der keramischen wärmedämmende Schutzschicht (10 ,11 ,11‘ ) aufweist. - Schichtsystem nach einem oder beiden der Ansprüche 1 oder 2, bei dem auf der metallischen Schicht (
7 ) oder der Oxidschicht auf der metallischen Schicht (7 ) eine zweilagige keramische Wärmedämmschicht (11‘ ,11 ) aufgebracht ist, insbesondere eine untere Zirkonoxidschicht (11 ) und eine äußere Schicht (11‘ ) mit Pyrochlorstruktur. - Schichtsystem nach einem oder beiden der Ansprüche 1 oder 2, bei dem auf der metallischen Schicht (
7 ) oder der Oxidschicht auf der metallischen Schicht (7 ) eine einlagige keramische Wärmedämmschicht (10 ) aufgebracht ist, insbesondere eine Zirkonoxidschicht (10 ). - Keramisches Wärmedämmschichtsystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2 oder 3, bei dem das Material für die äußerste Verunreinigungsschutzschicht (
13 ) das gleiche Material aufweist wie die äußere keramische wärmedämmende Schutzschicht (11‘ ). - Schichtsystem nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, bei dem Gadoliniumzirkonat und/oder Gadoliniumhafnat für die äußerste Verunreinigungsschutzschicht (
13 ) verwendet wird. - Schichtsystem nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, bei dem die Porosität der äußersten Verunreinigungsschutzschicht (
13 ) ≥ 10%, insbesondere ≥ 15% beträgt. - Schichtsystem nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, bei dem die Porosität der keramischen, wärmedämmenden Schichten (
10 ,11 ,11‘ ) größer 8% beträgt. - Schichtsystem nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, bei dem die Schichtdicke der äußersten Verunreinigungsschutzschicht (
13 ) mindestens 50µm, insbesondere mindestens 100µm beträgt. - Schichtsystem nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, bei dem die Schichtdicke der äußersten Verunreinigungsschutzschicht (
13 ) 100µm bis 300µm beträgt.
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