DE102015222808A1

DE102015222808A1 - Segmentiertes zweilagiges Schichtsystem

Info

Publication number: DE102015222808A1
Application number: DE102015222808.8A
Authority: DE
Inventors: wird später genannt werden Erfinder
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2015-11-19
Filing date: 2015-11-19
Publication date: 2017-05-24
Also published as: WO2017084850A1

Abstract

Durch die Verwendung von einer strukturierten zweilagigen TBC können Schichtsysteme bei höheren Temperaturen eingesetzt werden, ohne dass ein erhöhtes Risiko einer Abplatzung besteht.

Description

Die Erfindung betrifft ein Schichtsystem mit einer zweilagigen keramischen Schicht zur Wärmedämmung, die Vertiefungen aufweist.
Hochtemperaturbauteile wie Turbinenschaufeln werden mit Schutzbeschichtungen versehen, um die gegen Korrosion, Oxidation und Wärme zu schützen. Dabei werden verschiedene metallische Legierungen wie MCrAlY und verschiedene keramische Systeme auf der Basis Zirkonoxid verwendet.
Um den Einsatz bei noch höheren Temperaturen zu ermöglichen, müssen verbesserte Wärmedämmschichten gefunden werden, die ein geringes Ablöseverhalten aufweisen.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung ein Schichtsystem aufzuzeigen, das oben genanntes Problem löst.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Schichtsystem gemäß Anspruch 1.
In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Maßnahmen aufgelistet, die beliebig miteinander kombiniert werden können, um weitere Vorteile zu erzielen.
Die 1 bis 4 zeigen Ausführungsbeispiele der Erfindung.
Die Figuren und die Beschreibung stellen nur Ausführungsbeispiele der Erfindung dar.
Ein Schichtsystem 1 weist ein metallisches Substrat 4, insbesondere aus einer nickel- oder kobaltbasierten Superlegierung auf (1–4).
Auf dem Substrat 4 ist eine metallische Haftvermittlerschicht 7‘, 7‘‘, 7‘‘‘, 7‘‘‘‘ (1–4) aufgebracht, insbesondere auf der Basis NiCoCrAlY.
Auf dieser Haftvermittlerschicht 7‘, 7‘‘, 7‘‘‘, 7‘‘‘‘ bildet sich bei der weiteren Beschichtung, im Betrieb oder durch bewusste Oxidation eine Oxidschicht aus, die sogenannte TGO (nicht dargestellt).
Auf der Haftvermittlerschicht 7‘, 7‘‘, 7‘‘‘, 7‘‘‘‘ ist eine keramische Anbindungsschicht 10 (1–4), insbesondere Zirkonoxidschicht aufgebracht, die als Anbindungsschicht äußerer keramischer Schichten 22 (4), 13 (1–3) dient.
Die Zirkonoxidschicht 10 als keramische Anbindungsschicht ist zumindest teilstabilisiert, insbesondere durch Yttrium teilstabilisiert, ganz insbesondere mit einem Anteil von 8Gew.-% (1–4).
Die äußere keramische Schicht 13 (1–4) weist ein Pyrochlormaterial auf, insbesondere auf der Basis Gadoliniumzirkonat, ganz insbesondere weist sie zumindest 90% Gadoliniumzirkonat auf.
Außerdem weisen die keramischen Schichten 10, 22, 13 (1–4) Vertiefungen 16 auf, die sich durch die Schichten 10, 22, 13 erstrecken, vorzugsweise aber nicht die Haftvermittlerschicht 7‘, 7‘‘, 7‘‘‘, 7‘‘‘‘ erreichen.
Diese Vertiefungen 16 können „Dense Vertical Cracked“ sein (DVC), also längliche Mikro- oder Makrorisse aufweisen oder können durch entsprechende Abtragungsverfahren („engravings“), wie insbesondere durch einen Laser, nachträglich angebracht worden sein.
In 2 ist ein weiteres erfindungsgemäßes Schichtsystem 1‘ gezeigt, bei dem ausgehend von 1 die Haftvermittlerschicht 7‘ strukturiert ist, also Erhöhungen 19 aufweist.
Diese Erhöhungen 19 bzw. Vertiefungen (engineered surface) dazwischen können beim Beschichten durch entsprechende Abschattungsvorrichtungen erzeugt worden sein oder durch eine nachträgliche Bearbeitung z. B. durch eine Bestrahlung, insbesondere mit einem Laserstrahl oder einem Wasserstrahl.
Die Erhöhungen 19 sind nicht durch die Rauheit der Haftvermittlerschicht 7‘‘, 7‘‘‘, 7‘‘‘‘ gegeben oder erzeugt.
Die Erhöhungen 19 sind vorzugsweise nur lokal vorhanden (2–4).
Die Vertiefungen 16 erreichen vorzugsweise nicht die metallische Haftvermittlerschicht 7‘‘, 7‘‘‘, 7‘‘‘‘ (1–4).
4 zeigt ausgehend von 2 eine keramische Zwischenschicht 22 zwischen keramischer Anbindungsschicht 10 und äußerer keramischer Schicht 13. Die Vertiefungen 16 können sich auch durch die Zwischenschicht 22 erstrecken.
Die keramische Zwischenschicht 22 weist eine Mischung aus Zirkonoxid, insbesondere aus einem teilstabilisiertem Zirkonoxid und einem Pyrochlormaterial auf, welches vorzugsweise Gadoliniumzirkonat darstellt.
Die Zwischenschicht 22 kann auch ausgehend von 1 vorhanden sein.
3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, das angewendet werden kann auf die 1, 2 und 4 und hier nur exemplarisch ausgehend von 2 gezeigt ist.
Die Oberfläche der äußereren keramischen Schicht 13 und/oder die Vertiefungen 16 werden hier mit einem weiteren Schutzmaterial 25 versehen oder gefüllt, das vorzugsweise auch in die Vertiefungen 16 eindringt. Dieses Schutzmaterial 25 enthält zumindest Aluminium (Al), kann jedoch weitere metallische Zusätze wie Zirkon (Zr), Magnesium (Mg), Tantal (Ta), Titan (Ti), Hafnium (Hf) und/oder Niob (Nb) sowie Zusätze von Silizium (Si), Germanium (Ge), Gallium (Ga) und/oder Bor (B) oder weitere keramische Zusätze aufweisen.
Diese Schicht aus dem Material 25 wird vorzugsweise in einem metallischen Schlicker aufgebracht und dann vorzugsweise bewusst voroxidiert, bevor das Schichtsystem 1‘‘‘ zum Einsatz gelangt.

Claims

Schichtsystem (1, 1‘, 1‘‘, 1‘‘‘), zumindest aufweisend: ein metallisches Substrat (4), insbesondere aus einer nickel- oder kobaltbasierten Superlegierung, eine metallische Haftvermittlerschicht (7‘, 7‘‘, 7‘‘‘, 7‘‘‘‘), insbesondere auf der Basis NiCoCrAlY, eine keramische Anbindungsschicht (10) auf der Basis Zirkonoxid, insbesondere teilstabilisiertes Zirkonoxid, auf der metallischen Haftvermittlerschicht (7‘, 7‘‘, 7‘‘‘, 7 ^IV), optional eine keramische Zwischenschicht (22) auf der keramischen Anbindungsschicht (10), wobei die keramische Zwischenschicht (22) eine Mischung aus Zirkonoxid und Pyrochlor aufweist; und eine äußere keramische Schicht (13), insbesondere äußerste keramische Schicht (13), auf der Basis Pyrochlor, insbesondere Gadoliniumzirkonat, wobei Vertiefungen (16) durch zumindest eine keramische Schicht (10, 22, 13) vorhanden sind.
Schichtsystem nach Anspruch 1, bei dem die metallische Haftvermittlerschicht (7‘‘, 7‘‘‘, 7‘‘‘‘) strukturiert ausgebildet ist, insbesondere Erhöhungen (19) aufweist, die (19) insbesondere nur lokal vorhanden sind.
Schichtsystem nach einem oder beiden der Ansprüche 1 oder 2, bei dem auf der äußeren Schicht (13) und/oder in den Vertiefungen (16) der äußeren Schichten (13, 22) eine zumindest aluminiumhaltige Beschichtung (25) aufgebracht ist, die vorzugsweise voroxidiert wurde.
Schichtsystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2 oder 3, bei dem die Vertiefungen (16) der keramischen Schichten (10, 22, 13) durch Laserbearbeitung erzeugt werden.
Schichtsystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2, 3 oder 4, bei dem die äußere keramische Schicht (13) ein Pyrochlormaterial aufweist, insbesondere auf der Basis Gadoliniumzirkonat, ganz insbesondere zumindest 90% Gadoliniumzirkonat aufweisend.
Schichtsystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2, 3, 4 oder 5, bei dem die Vertiefungen (16) längliche Risse darstellen.
Schichtsystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2, 3, 4, 5 oder 6, bei dem sich die Vertiefungen (16) nicht bis zur metallischen Haftvermittlerschicht (7‘, 7‘‘, 7‘‘‘, 7‘‘‘‘) erstrecken.
Schichtsystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2, 3, 4 ,5, 6 oder 7, das auf ein Turbinenbauteil aufgebracht ist.
Schichtsystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 oder 8, bei dem die Vertiefungen (16) nachträglich erzeugt werden, insbesondere durch einen Laser.