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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Wärmedämmschichtsystem für ein Substrat umfassend eine keramische untere Wärmedämmschicht und eine keramische obere Wärmedämmschicht sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung.
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Wärmedämmschichten (englisch thermal barrier coating, TBC) werden in der Industrie eingesetzt, um die Werkstofftemperatur bei Hochtemperaturanwendung zu senken. Wärmedämmschichten sind z.B. bei Gasturbinen notwendig, die sehr hohen Betriebstemperaturen ausgesetzt sind.
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Für die Herstellung von Wärmedämmschichten ist es sinnvoll, poröse Strukturen herzustellen(typischerweise mit einer Porosität von 10–20%), die vertikal segmentiert sein können und im Weiteren auch Mikrorisse aufweisen können. Die Porosität der Wärmedämmschichten und die Mikrorisse reduzieren die thermische Leitfähigkeit und verbessern gleichzeitig die mechanische Belastbarkeit, durch die die Betriebsdauer der Wärmedämmschicht bestimmt wird.
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Ein Wärmedämmschichtsystem weist typischerweise eine Struktur, eine keramische obere Wärmedämmschicht und eine metallische Bindeschicht zwischen Struktur und oberer Wärmedämmschicht auf. Die metallische Bindeschicht dient der Anbindung der Wärmedämmschicht an das Substrat, gleicht die unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten von Wärmedämmschicht und Substrat aus. An der zur Wärmedämmschicht weisenden Seite der Bindeschicht wird im Laufe eines Betriebes mit Hochtemperaturanwendungen eine Deckschicht aus thermisch gewachsenem Aluminiumoxid (Englisch thermally grown oxide, TGO) gebildet, die als Oxidationsschutz für das Substrat und Bindung an die Wärmedämmschicht dient.
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Die Betriebsdauer der Wärmedämmschicht wird im Allgemeinen durch eine Ablösung der keramischen Oberschicht begrenzt. Die Ablösung der Oberschicht wird verursacht durch Entstehung und Erweiterung von Rissen in der Oberschicht. Besonders bei Rissen in der Nähe der TGO können sie sich zu größeren Rissen zwischen der Oberschicht und der Bindeschicht erweitern und damit zur Ablösung der Oberschicht führen. Die Risse entstehen vor allem durch thermo-mechanischen Stress, der durch Erhitzung und Abkühlung des Materials entsteht. Dabei wird mechanische Energie freigesetzt, die im Material der Oberschicht gespeichert ist, wobei diese Energie von der Art und der Dicke des Materials abhängt. Je dicker das Material, desto höher die darin gespeicherte mechanische Energie. Außerdem führt eine hohe Materialdicke der Oberschicht zu hohen Temperaturunterschieden zwischen Oberschicht und Bindeschicht. Zum Schutz des Substrats von hohen Temperaturen ist es eine Strategie, die Materialdicke der Oberschicht zu erhöhen.
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Die Lebensdauer der Beschichtung lässt sich verbessern, indem die mechanischen Eigenschaften der keramischen Oberschicht verbessert werden und die Materialdicke der keramischen Oberschicht einen Material-abhängigen Wert nicht überschreitet. Ein Ansatz, die mechanischen Eigenschaften einer aufgespritzten Wärmedämmschicht zu verbessern, ist die Porosität des Materials zu erhöhen. Ein weiterer Ansatz ist die Verwendung eines keramischen Schaums mit offenen Zellen (
US 6,428,280 ). Dabei sind die Zellen des Schaums auch untereinander verbunden. Durch die verbundenen Zellen können sich jedoch durch thermo-mechanischen Stress gebildete Mikro-Risse schnell erweitern, und damit besonders in der Nähe der TGO zur Ablösung der Oberschicht führen.
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Es besteht damit die Aufgabe, eine wärmedämmende Beschichtung für ein thermisch beanspruchtes Substrat bereitzustellen, die eine thermisch-mechanische Belastung des Substrats toleriert und in der sich gebildete Risse im Material der Beschichtung besonders in der Nähe der TGO nicht erweitern können. Es besteht weiterhin die Aufgabe, ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Systems bereitzustellen.
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Die erste Aufgabe wird durch ein System mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Die zweite Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 10 gelöst.
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Weitere vorteilhafte Ausführungsformen und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus dem Nebenanspruch, den Unteransprüchen, den Figuren und den Ausführungsbeispielen.
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Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein Wärmedämmschichtsystem für ein thermisch beanspruchtes Substrat mit einer Oberfläche, umfassend eine keramische obere Wärmedämmschicht, bei dem zwischen der Oberfläche des Substrats und der oberen Wärmedämmschicht eine Poren aufweisende keramische untere Wärmedämmschicht angeordnet ist, und wobei die Poren der unteren Wärmedämmschicht geschlossen sind.
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Das System ist vorteilhaft, weil die untere Wärmedämmschicht mit den geschlossenen Poren eine Verbindung von gebildeten Rissen untereinander und deren Erweiterung unterbindet. Dadurch wird vorteilhaft eine Ablösung der Wärmedämmbeschichtung durch Erweiterung von Rissen in der räumlichen Nähe der TGO gehemmt.
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Bevorzugt liegt die untere Wärmedämmschicht auf einer auf der Oberfläche des Substrats angeordneten metallischen Haftschicht des Typs MCrAlY auf, wobei M für mindestens ein Metall aus der Gruppe enthaltend Eisen, Kobalt und Nickel als Grundlage der Legierung steht. Die Haftschicht dient der Anbindung der unteren Wärmedämmschicht an das Substrat, gleicht die unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten aus und dient durch die Bildung der TGO als Oxidationsschutz für das Substrat. Die Haftschicht kann in manchen Ausführungsformen auch nicht vorhanden sein.
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Vorzugsweise weist in dem Wärmedämmschichtsystem die obere und/oder untere Wärmedämmschicht 8 Mol% Yttriumoxid-stabilisiertes Zirkoniumoxid auf. Zirkoniumoxid dient der Hitzebeständigkeit der Wärmedämmschichten. Die Zugabe von Yttriumoxid stabilisiert das Zirkoniumoxid vorteilhafterweise bei tiefen Temperaturen.
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Vorzugsweise weist in dem Wärmedämmschichtsystem die obere und/oder untere Wärmedämmschicht Gadoliniumoxid-stabilisiertes Zirkoniumoxid auf. Diese Modifikation setzt vor allem die thermische Leitfähigkeit des Materials der Wärmedämmschichten herab. Bevorzugt enthält vor allem die obere Wärmedämmschicht Gadoliniumoxid-stabilisiertes Zirkoniumoxid.
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Vorzugsweise beträgt der Anteil der Poren am Gesamtvolumen der unteren Wärmedämmschicht 10%–20%.
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Vorzugsweise weist in dem Wärmedämmschichtsystem das Substrat eine Nickel-basierte Superlegierung auf.
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Weiterhin ist es bevorzugt, wenn das Substrat ein Bestandteil einer Gasturbinenschaufel ist.
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Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft eine Gasturbinenschaufel mit einem erfindungsgemäßen Wärmedämmschichtsystem. Mit anderen Worten betrifft die Erfindung eine Gasturbinenschaufel, bei dem das Substrat der Gasturbinenschaufel eine Beschichtung durch eine keramischen obere Wärmedämmschicht aufweist, und bei der zwischen der Oberfläche des Substrats und der oberen Wärmedämmschicht eine Poren aufweisende keramische untere Wärmedämmschicht angeordnet ist, wobei die Poren der unteren Wärmedämmschicht geschlossen sind.
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Ein dritter Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Wärmedämmschichtsystems für eine thermisch beanspruchte Struktur umfassend ein Substrat, eine auf der Oberfläche des Substrats angeordnete keramische obere Wärmedämmschicht und eine zwischen der Oberfläche des Substrats und der oberen Wärmedämmschicht angeordnete, geschlossene Poren aufweisende keramische untere Wärmedämmschicht, umfassend die Schritte:
- – Bereitstellen eines Substrats mit einer Oberfläche,
- – Bereitstellen einer Mixtur enthaltend eine der herzustellenden unteren Wärmedämmschicht entsprechende Mischung aus entsprechenden Komponenten und Füllpartikel,
- – Auftragen einer metallischen Haftschicht des Typs MCrAlY auf der Oberfläche des Substrats, wobei M für mindestens ein Metall aus der Gruppe enthaltend Eisen, Kobalt und Nickel als Grundlage der Legierung steht,
- – Auftragen einer Mixtur enthaltend eine der herzustellenden unteren Wärmedämmschicht entsprechende Mischung aus entsprechenden Komponenten und Füllpartikel auf die metallische Haftschicht,
- – Auftragen einer Mixtur enthaltend eine der herzustellenden oberen Wärmedämmschicht entsprechende Mischung aus Komponenten, die die obere Wärmedämmschicht bilden sollen,
- – Kalzinieren der aufgetragenen Wärmedämmschichten,
- – Kristallisieren der aufgetragenen Wärmedämmschichten durch Hitzebehandlung.
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Vorzugsweise wird in dem Verfahren die entsprechende Mixtur für die obere und untere Wärmedämmschicht jeweils im Sol-Gel-Fluid aufgetragen.
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Weiterhin werden die Mixturen für die obere und/oder zwei Wärmedämmschicht vorzugsweise durch Plasmaspritzen aufgetragen.
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Weiterhin ist es bevorzugt, wenn die Mixtur für die obere und/oder die Mixtur für die untere Wärmedämmschicht Yttrium- und/oder Gadolinium-stabilisiertes Zirkonium aufweist.
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Die Füllpartikel in der Mixtur für die untere Wärmedämmschicht weisen vorzugsweise Polymermaterial auf.
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Unter Substrat wird in der vorliegenden Anmeldung das Material verstanden, aus dem die zu schützende Vorrichtung besteht.
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Die obere und untere Wärmedämmschicht werden in der vorliegenden Anmeldung zusammen auch aus Wärmedämmbeschichtung bezeichnet.
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Die obere Wärmedämmschicht ist die nach außen angeordnete Wärmedämmschicht. Die untere Wärmedämmschicht ist die zwischen Substrat und oberer Wärmedämmschicht angeordnete Wärmedämmschicht; sie kann auch als Grundschicht bezeichnet werden.
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Als Metalle werden in der vorliegenden Anmeldung sowohl reine Metalle als auch Metalllegierungen bezeichnet.
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Die Erfindung wird anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:
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1 einen Querschnitt einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wärmedämmschichtsystems;
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2 einen vergrößerten Ausschnitt der Ausführungsform gemäß 1;
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3 ein Fließdiagramm einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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In der in 1 dargestellten Ausführungsform weist das Wärmedämmschichtsystem 1 ein Substrat 2 mit einer Oberfläche 2a, eine obere Wärmedämmschicht 3 und eine untere Wärmedämmschicht 4 auf. Die untere Wärmedämmschicht 4 weist eine Anzahl geschlossener Poren 5 auf. Der Anteil der Poren 5 beträgt etwa 10%–20 %. Die Wärmedämmschichten 3, 4 bestehen aus Keramikschaum.
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Direkt auf der Oberfläche des Substrats 2a ist eine metallische Haftschicht 6 aus MCrAlY angeordnet. M steht in dieser Legierung typischerweise für mindestens ein Metall aus der Gruppe enthaltend Eisen, Kobalt und Nickel. Alternativ zu Yttrium (Y) kann ein anderes Element, vorzugsweise ein Selten-Erde-Element, in der Legierung verwendet werden. Alternativ zum MCrAlY-Typ kann auch eine Diffusionsbeschichtung wie beispielsweise Diffusionsaluminide oder mit Platin modifizierte Diffusionsaluminide verwendet werden. Der Aluminiumgehalt in der Haftschicht 6 dient dabei der Bildung einer Aluminiumoxidschicht, die sich an der Grenze zur Wärmedämmbeschichtung bei hohen Temperaturen bildet und deshalb als thermisch gewachsene Oxidschicht (TGO) 7 (dargestellt in 2) bezeichnet wird.
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Die geschlossenen Poren 5 der unteren Wärmedämmschicht 4 wirken der Ausbreitung von in 2 gezeigten feinen Rissen 8, auch Mikro-Risse 8 genannt, in der unteren Wärmedämmschicht 4 entgegen, die sich somit auch nicht zur TGO 7 hin erweitern können.
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Die obere 3 und/oder untere Wärmedämmschicht 4 weist Yttriumoxid-stabilisiertes Zirkoniumdioxid auf. Dabei kann der Yttriumoxid-Anteil 3 Mol% bis 8 Mol% betragen, wobei das Zirkoniumoxid bei 8 Mol% vollstabilisiert und bei etwa 4 Mol% teilstabilisiert ist. Bevorzugt wird 8 Mol% Yttrium-stabilisiertes Zirkoniumoxid verwendet. Dabei kann die obere 3 und/oder untere Wärmedämmschicht 4 vollständig aus Yttrium-stabilisiertem Zirkoniumoxid bestehen. Die beiden Wärmedämmschichten 3, 4 können aber auch kein Yttriumoxid-stabilisiertes Zirkoniumdioxid aufweisen. Weiterhin können die beiden Wärmedämmschichten 3, 4 die gleiche Zusammensetzung aufweisen. Es ist aber auch möglich, dass sie eine unterschiedliche Zusammensetzung aufweisen.
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Die obere 3 und/oder untere Wärmedämmschicht 4 weist weiterhin Gadoliniumoxid-stabilisiertes Zirkoniumoxid auf. Bevorzugt enthält vor allem die obere Wärmedämmschicht 3 Gadoliniumoxid-stabilisiertes Zirkoniumoxid, das diese besonders zur thermischen Isolierung beiträgt. Die beiden Wärmedämmschichten 3, 4 können auch kein Gadoliniumoxid-stabilisiertes Zirkoniumoxid. Die beiden Wärmedämmschichten 3, 4 können weiterhin sowohl Yttriumoxid-stabilisiertes Zirkoniumoxid als auch Gadoliniumoxid-stabilisiertes Zirkoniumoxid aufweisen.
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Das Substrat 3 ist Bestandteil einer Gasturbinenschaufel. Alternativ kann es auch Bestandteil eines anderen wärmetechnisch beanspruchten Bauteils sein, beispielsweise einer Schaufel eines Flugzeugtriebwerks. Als Bestandteil einer Gasturbinenschaufel ist weist das Substrat bevorzugt eine Nickel-basierte Legierung oder Superlegierung auf. Eine typische Nickel-basierte Superlegierung wie in vorliegender Erfindung für das Substrat verwendet weist die Elemente Kobalt, Nickel, Platin, Chrom, Eisen mit möglichen Zusätzen von Molybdän, Wolfram, Rhenium, Ruthenium, Niob, Aluminium, Titan, Mangan, Zirkonium, Kohlenstoff und Bor auf.
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Zum Herstellen des beschriebenen Wärmedämmschichtsystems 1 wird in einer Ausführungsform des Verfahrens wie in 3 dargestellt in einem ersten Schritt S1 ein Substrat mit einer Oberfläche bereitgestellt. Dieses ist bevorzugt eine unbeschichtete Turbinenschaufel. In einem zweiten Schritt S2 wird eine Mixtur bereitgestellt, die eine der herzustellenden unteren Wärmedämmschicht 4 entsprechende Mischung aus entsprechenden Komponenten und Füllpartikel enthält, wobei die Füllpartikel bevorzugt Polymermaterial aufweisen. Als Komponenten für die Keramik der Wärmedämmschichten wird bevorzugt mit Yttriumoxid teil- oder vollstabilisiertes Zirkonoxid (YSZ) verwendet. Es kann auch als Bestandteil der Keramik im Gemisch mit anderen Stoffen verwendet werden. Alternativ kann Cer stabilisiertes Zirkonoxid, Scandium stabilisiertes Zirkonoxid oder mit Seltenerdoxiden stabilisiertes Zirkonoxid, also z.B. mit Gadoliniumoxid, für die Keramik verwendet werden. Die Polymerpartikel dienen zur Porenbildung.
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In einem dritten Schritt S3 wird eine metallische Haftschicht 6 des Typs MCrAlY auf der Oberfläche des Substrats 2a aufgetragen. Dies geschieht durch Niederdruck-Plasmaspritzen (LPPS, Englisch low pressure plasma spraying). In einem vierten Schritt S4 wird die in Schritt S2 bereitgestellte Mixtur für die untere Wärmedämmschicht 4 auf die metallische Haftschicht aufgetragen. Schritt S4 wird bevorzugt durch atmosphärisches Plasmaspritzen (APS, Englisch atmospheric plasma spraying) durchgeführt. Alternativ kann in S4 auch eine Elektronenstrahlaufdampfung durchgeführt werden (EB-PVD, Englisch Electron Beam Physical Vapor Deposition).
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In einem fünften Schritt S5 wird eine Mixtur auf die untere Wärmedammschicht 4 aufgetragen, die eine der herzustellenden oberen Wärmedämmschicht 3 entsprechende Mischung aus Komponenten, die die obere Wärmedämmschicht 3 bilden sollen, enthält. Das Material der oberen Wärmedämmschicht 3 entspricht dabei bevorzugt dem der unteren Wärmedämmschicht 4, jedoch vorzugsweise ohne Füllpartikel aufzuweisen. Wie oben erläutert, kann die obere Wärmedämmschicht 3 auch eine andere Zusammensetzung als die untere aufweisen. Die obere Wärmedämmschicht 3 wird durch die gleichen Verfahren aufgetragen wie die untere. Vorzugsweise werden beide Wärmedämmschichten im Sol-Gel-Verfahren aufgetragen.
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In einem sechsten Schritt S6 werden die aufgetragenen Wärmedämmschichten 3, 4 kalziniert. Dabei werden die bevorzugt in der unteren Wärmedämmschicht 4 enthaltenen Füllpartikel ausgebrannt, wodurch Poren 5 entstehen.
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In einem siebenten Schritt S7 werden die aufgetragenen Wärmedämmschichten 3, 4 durch Wärmebehandlung kristallisiert.
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Für einen Fachmann naheliegende Abwandlungen und Änderungen der Erfindung fallen unter den Schutzumfang der Patentansprüche.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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