DE102014220359A1 - Doppellagige Zirkonoxidschicht mit hochreinem Anteil - Google Patents

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Abstract

Durch die Verwendung von hochreinerem Zirkonoxidmaterial für die äußerste Wärmedämmschicht eines zweilagigen Wärmedämmschichtsystems werden verbesserte und langlebige Schichtsysteme für den Hochtemperatureinsatz erzielt.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine zweilagige keramische Wärmedämmschicht, bei dem hochreines Zirkonoxid verwendet wird.
  • Um den immer höheren Temperaturen im Gasstrom der neuesten Generationen von Gasturbinen standzuhalten, werden immer anspruchsvollere Techniken benötigt, die die GT-Komponenten zu schützen. Das beinhaltet die Verwendung von hochtemperaturfesten Superlegierungen, das Nutzen von Filmkühlung und die Beschichtung der Komponenten mit Oxidations- und Wärmedämmschichten.
  • Die modernen GT-Komponenten werden häufig mit einer Schicht aus teilstabilisiertem Zirkonoxid (8YSZ) und Gadoliniumzirkonat (GZO) versehen. Das GZO bietet Vorteile, da der Wärmedurchgangskoeffizient von GZO geringer ist als der von 8YSZ und die Sinterneigung geringer ist. Das GZO-Pulver ist jedoch teurer.
  • Es ist daher Aufgabe der Erfindung oben genannte Probleme zu lösen.
  • Die Aufgabe wird gelöst durch ein keramisches Schichtsystem gemäß Anspruch 1.
  • In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Maßnahmen aufgelistet, die beliebig miteinander kombiniert werden können, um weitere Vorteile zu erzielen.
  • Die Figur zeigt schematisch ein Schichtsystem.
  • Die Figur und die Beschreibung stellen nur Ausführungsbeispiele der Erfindung dar.
  • Als Substrat 4 eines keramischen Wärmedämmschichtsystems 1 werden insbesondere bei Turbinenbauteilen oder Bauteilen für Hochtemperaturanwendungen Nickel- oder Kobalt-basierte Superlegierungen verwendet.
  • Auf dem Substrat 4, insbesondere direkt auf dem Substrat 4, ist eine metallische Haftvermittlerschicht 7 vorhanden.
  • Vorzugsweise ist dies eine Haftvermittlerschicht 7 aus einer NiCoCrAlX-Beschichtung, wobei X Rhenium (Re), Yttrium (Y), Silizium (Si), Eisen (Fe) und/oder Tantal (Ta) darstellt.
  • Auf der metallischen Haftvermittlerschicht 7 wird eine Oxidschicht 10 erzeugt oder beim Beschichten mit einer keramischen Beschichtung 13 bzw. im Einsatz wächst eine Aluminiumoxidschicht 10 als Oxidationsschutz.
  • Auf der metallischen Haftvermittlerschicht 7 oder auf der Aluminiumoxidschicht 10 wird eine keramische Wärmedämmschicht 13 aufgebracht mit einer inneren keramischen Schicht 15 und einer äußeren keramischen Schicht 18 auf der inneren keramischen Schicht 15.
  • Die äußere keramische Schicht 18 ist vorzugsweise auch die äußerste Schicht.
  • Die Materialien für die innere keramische Schicht und äußere keramische Schicht 15 sind vorzugsweise gleich.
  • Die innere keramische Schicht 15 weist vorzugsweise eine Zirkonoxidschicht auf, die teilstabilisiert ist, wobei zur Stabilisierung vorzugsweise Yttrium (Y), ganz besonders bevorzugt nur Yttrium (Y) verwendet wird.
  • Der Anteil von Yttrium (Y) beträgt vorzugweise 8 Gew.-%.
  • Die äußere keramische Schicht 18 weist vorzugsweise auch Zirkonoxid auf, ist aber bezüglich der inneren Zirkonoxidschicht 15 um mindestens 20% reiner, insbesondere mindestens 50% reiner an chemischen Verunreinigungen.
  • Der Anteil von Yttrium (Y) beträgt auch hier vorzugweise 8 Gew.-%.
  • Die chemischen Verunreinigungen der keramischen Schichten 18, 15 stellen insbesondere Hafniumoxid und/oder Aluminiumoxid und/oder Siliziumoxid und/oder Eisenoxid und/oder Titanoxid und/oder Magnesiumoxid und/oder Kalziumoxid dar.
  • Die Reinheit kann auf eine, mehrere oder alle Verunreinigungen des Pulvers oder der hergestellten Schicht bezogen werden.
  • Es ist also ein ZrO2-Pulver/Schicht mit 5% weniger HfO2, 5% weniger Al2O3, 5% weniger SiO2 und 5% weniger TiO2 20% reiner.
  • Gleiches gilt wenn ein ZrO2-Pulver/Schicht 20% weniger Al2O3 und ansonsten vergleichbare Werte für die anderen Verunreinigungen aufweist.
  • Dies gilt nicht nur für Zirkonoxid, sondern auch, wenn andere Materialien für die keramische Schicht 13 verwendet werden.
  • Vorzugsweise weist die äußere keramische Wärmedämmschicht 18 eine Porosität von 16% bis 24%, insbesondere von 18% bis 22%, ganz insbesondere von 20% auf.
  • Die Porosität wird vorzugsweise in vol% gemessen.
  • Vorzugsweise weist die innere keramische Schicht (15) eine mindestens um 3 vol% geringere Porosität auf.
  • Vorzugsweise ist die äußere keramische Schicht (18) mindestens 10%, insbesondere 20% dicker ausgeführt, um den Wärmedämmeffekt besser auszunutzen.
  • Durch die geringeren Anteile an Verunreinigungen und damit Schmelzpunkterniedriger sind verschlechterte Sintereigenschaften gegeben, so dass die Schicht den höheren Temperaturen unter Beibehaltung der Porosität länger bei höheren Temperaturen standhalten kann.

Claims (10)

  1. Keramisches Wärmedämmschichtsystem (1), zumindest aufweisend: ein Substrat (4), eine metallische Haftvermittlerschicht (7) auf dem Substrat (4), insbesondere direkt auf dem Substrat (4), optional eine Aluminiumoxidschicht (10) oder eine aus der Haftvermittlerschicht (7) gewachsene Oxidschicht (10) direkt auf der metallischen Haftvermittlerschicht (7), eine innere keramische Schicht (15) auf der Haftvermittlerschicht (7), und eine äußere, insbesondere äußerste, keramische Schicht (18) auf der inneren keramischen Schicht, wobei die innere keramische Schicht (15) und die äußere keramische Schicht (18) zusammen die keramische Wärmedämmschicht (13) auf der Haftvermittlerschicht (7) darstellen, wobei die äußere keramische Schicht (18) in ihrer chemischen Zusammensetzung mindestens 20% reiner, insbesondere mindestens 50% reiner, ist als die innere keramische Schicht (15).
  2. Schichtsystem nach einem Anspruch 1, bei dem die Verunreinigungen der keramischen Wärmedämmschicht (13) zumindest Hafniumoxid und/oder Aluminiumoxid und/oder Siliziumoxid und/oder Eisenoxid und/oder Titanoxid und/oder Magnesiumoxid und/oder Kalziumoxid darstellen.
  3. Schichtsystem nach einem oder beiden der Ansprüche 1 oder 2, bei dem das Material der inneren keramischen Schicht (15), und der äußeren keramischen Schickt (18) das gleiche ist.
  4. Schichtsystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2 oder 3, bei dem die äußere keramische Wärmedämmschicht (18) eine Porosität von mindestens 16%, insbesondere von 16% bis 24% aufweist.
  5. Schichtsystem nach Anspruch 4, bei dem die Porosität der äußeren keramischen Schicht (18) bei 18% bis 22%, insbesondere bei 20% liegt.
  6. Schichtsystem nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Material der inneren keramischen Schicht (15), und/oder der äußeren keramischen Schickt (18) Zirkonoxid aufweist, insbesondere teilstabilisiertes Zirkonoxid, ganz insbesondere yttriumstabilisiertes Zirkonoxid.
  7. Schichtsystem nach Anspruch 6, bei dem der Anteil von Yttrium (Y) bei 8 Gew% liegt.
  8. Schichtsystem nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die innere keramische Schicht (15) gegenüber der äußeren keramischen Schicht (18) eine um mindestens 3 Vol% kleinere Porosität aufweist.
  9. Schichtsystem nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die keramische Wärmedämmschicht (13) nur zweilagig (15, 18) ausgebildet ist.
  10. Schichtsystem nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die äußere keramische Wärmedämmschicht (18) mindestens 10%, insbesondere mindestens 20% dicker ausgebildet ist als die innere keramische Wärmedämmschicht (15).
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