DE102015206321A1

DE102015206321A1 - Zweilagige keramische Wärmedämmschicht mit Übergangszone

Info

Publication number: DE102015206321A1
Application number: DE102015206321.6A
Authority: DE
Inventors: Knut Halberstadt; Werner Stamm
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2015-04-09
Filing date: 2015-04-09
Publication date: 2016-10-13
Also published as: WO2016162221A1

Abstract

Durch die Einführung einer Übergangszone zwischen zwei verschiedenen keramischen Materialien und eines keramischen Wärmedämmschichtsystems, wobei die Übergangszone deutlich dünner ausgeführt ist als die untere und obere keramische Schicht und die Gradierung eng aneinander gelegt wird, lässt sich eine dicke Wärmedämmschicht herstellen.

Description

Die Erfindung betrifft eine keramische Wärmedämmschicht, die mehrere Lagen aufweist.
Bei Gasturbinen wird zunehmend ein Wärmedämmschichtsystem eingesetzt, welches aus einer zweilagigen Keramik auf einer metallischen Beschichtung besteht. Bisherige Erfahrungen zeigten, dass die Bindung der zweilagigen Keramik zwischen Zirkonoxid- und einer Pyrochlorschicht aufgrund unterschiedlicher physikalischer Eigenschaften nicht stark genug ist.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung oben genanntes Problem zu lösen.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein keramisches Wärmedämmschichtsystem nach Anspruch 1.
In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Maßnahmen aufgelistet, die beliebig miteinander kombiniert werden können, um weitere Vorteile zu erzielen.
Die Figuren zeigen nur Ausführungsbeispiele der Erfindung.
1 zeigt ein Wärmedämmschichtsystem auf,
2 zeigt eine Liste von Superlegierungen.
Die 1 zeigt ein Wärmedämmschichtsystem 1.
Als vorzugsweise metallisches Substrat 4 wird vorzugsweise eine nickel- oder kobaltbasierte Superlegierung, insbesondere gemäß 2 verwendet.
Auf dem Substrat 4 ist eine, insbesondere metallische, Haftvermittlerschicht 7 vorhanden. Dies ist insbesondere eine Überzugsschicht aus einer MCrAlY-Legierung (M = Ni, Co und/oder Fe).
Auf dieser insbesondere metallischen Haftvermittlerschicht 7 ist dann eine Oxidschicht (nicht dargestellt) vorhanden bzw. entwickelt sich während des Betriebs oder des Beschichtens mit der nachfolgenden keramischen Beschichtung.
Eine untere keramische Beschichtung 10 auf der Haftvermittlerschicht 7 weist eine teilstabilisierte Zirkonoxidschicht (SZ) auf, die insbesondere durch Yttrium (Y) stabilisiert ist (YSZ). Insbesondere besteht die untere keramische Beschichtung 10 nur aus teilstabilisiertem Zirkonoxid.
Die äußerste keramische Schicht 13 aus Pyrochlor stellt vorzugsweise eine Schicht aus Gadoliniumzirkonat (GZO) dar bzw. aus Gadoliniumhafnat (GHO)- bzw. Mischungen daraus dar. Insbesondere weist die äußerste keramische Schicht mindestens 85% Pyrochlor auf.
Zwischen der äußersten keramischen Schicht 13 und der unteren keramischen Schicht 10 ist eine keramische Übergangszone 15 vorhanden. Die keramische Übergangszone 15 weist eine erste Schicht aus einer Mischung von insbesondere 60% SZ und 40% Pyrochlor und in einer zweiten Zwischenlage von 40% SZ und 60% Pyrochlor auf. Der Unterschied in dem Anteil von Pyrochlor in den zwei keramischen Schichten liegt höchstens bei 30%, insbesondere höchstens bei 20% (60% – 40% = 20%). Entsprechendes gilt dann für SZ oder YSZ. Die Anteile von SZ und Pyrochlor bzw. GZO bzw. GHO liegen relativ dicht beieinander. Insbesondere sind nur zwei keramische Schichten für die keramische Übergangszone 15 vorhanden.
Für die untere keramische Schicht 10 ist vorzugsweise eine Dicke von 300µm ± 50µm vorgesehen.
Eine vergleichbare Dicke ergibt sich vorzugsweise für die äußerste Pyrochlor-Schicht 13, wobei diese auch dicker ausgeführt werden kann.
Jedoch ist die keramische Übergangszone 15 mit maximal 120µm, insbesondere maximal 100µm deutlich dünner ausgeführt.
Vorzugsweise sind die keramischen Zwischenschichten gleich dick.
Nach dem Aufspritzen der metallischen Beschichtung mittels Vakuum-Plasma- oder Hochgeschwindigkeitsflammspritzen werden auf einer geeigneten APS-Spritzanlage die keramischen Schichten aufgebracht.
Die Beschichtungspistole dieser APS-Anlage wird mit Pulverförderlinien versehen, bei denen das YSZ- sowie das GZO-Spritzpulver parallel zur Verfügung steht. Es wird zuerst eine Schicht in der gewünschten Dicke aus YSZ gespritzt. Diese ist vorzugsweise mindestens 250μm dick, um ein Spannungsübertrag von der MCrAlY aus über die YSZ-Schicht auf das GZO zu verhindern. Ist diese fertig, wird der der Pistole zugeführte YSZ-Pulveranteil verringert, und der Anteil von GZO in gleichem Maße angehoben, wie YSZ verringert wird, bis nur noch reines GZO gespritzt wird. Hiermit wird dann die gewünschte Dicke der GZO-Lage fertig gestellt.
Da alle Beschichtungen durch mehrfach übereinander gelegte Lagen aus gleichem Material aufgebaut werden, wird der Übergang zwischen den Anteilen der beiden Pulver nicht kontinuierlich fließend sondern gestuft sein:
untere keramische Schicht

1. Zwischenschicht
2. Zwischenschicht

Claims

Keramisches Wärmedämmschichtsystem (1), zumindest aufweisend: ein Substrat (4), insbesondere metallisch, ganz insbesondere aus einer Nickelbasis-Superlegierung, eine Haftvermittlerschicht (7), insbesondere eine metallische Haftvermittlerschicht (7), ganz insbesondere aus einer MCrAlY-Legierung, M = Ni, Co und/oder Fe, einer unteren keramischen Schicht (10) aus teilstabilisiertem Zirkonoxid, die insbesondere nur aus teilstabilisiertem Zirkonoxid besteht, eine keramische Übergangszone (15), die sowohl teilstabilisiertes Zirkonoxid als auch Pyrochlor aufweist, die insbesondere nur aus Zirkonoxid und Pyrochlor besteht, sowie eine äußerste keramische Schicht (13) aus Pyrochlor, die kein teilstabilisiertes Zirkonoxid aufweist, insbesondere mindestens 85% Pyrochlor aufweist.
Schichtsystem nach Anspruch 1, bei dem die äußerste keramische Schicht (13) genauso dick ist wie die untere keramische Schicht (10).
Schichtsystem nach einem oder beiden der Ansprüche 1 oder 2, bei dem die untere keramische Schicht (10) 300µm ± 50µm dick ist.
Schichtsystem nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 1, 2 oder 3, bei dem die äußerste keramische Schicht (13) 300µm ± 50µm dick ist.
Schichtsystem nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 1, 3 oder 4, bei dem die äußerste keramische Schicht (13) mindestens 10% dicker ist als die untere keramische Schicht (10).
Schichtsystem nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 1, 2, 3, 4 oder 5, bei dem die keramische Übergangszone (15) aus zwei keramischen Zwischenschichten besteht, die verschiedene Anteile von Zirkonoxid und Pyrochlor aufweisen, insbesondere nur Anteile von Zirkonoxid und Pyrochlor aufweisen.
Schichtsystem nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 1, 2, 3, 4, 5 oder 6, bei der die erste keramische Zwischenschicht der keramischen Übergangszone (15) auf der unteren keramischen Schicht (10) 60% teilstabilisiertes Zirkonoxid und 40% Pyrochlor aufweist.
Schichtsystem nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 1, 2, 3, 4, 5, 6 oder 7, bei dem der Anteil an Zirkonoxid in der zweiten Zwischenschicht direkt unter der äußersten keramischen Schicht (13) bei 40% teilstabilisiertem Zirkonoxid und 60% Pyrochlor liegt.
Schichtsystem nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die keramischen Zwischenschichten gleich dick sind, insbesondere zwischen 40µm und 60µm dick sind.
Schichtsystem nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 6 bis 9, bei dem der absolute Unterschied in dem Anteil von Pyrochlor in den zwei keramischen Zwischenschichten höchstens 30%, insbesondere höchstens 20% beträgt.
Schichtsystem nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 6 bis 9, bei dem der absolute Unterschied in dem Anteil von Zirkonoxid in den zwei keramischen Zwischenschichten höchstens 30%, insbesondere höchstens 20% beträgt.
Schichtsystem nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 6 bis 10, bei dem das Pyrochlor Gadoliniumzirkonat aufweist.