DE102016200294A1 - Beschichtungssystem für Gasturbinen - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Beschichtungssystem für eine Gasturbinenschaufel und/oder ein Gasturbinenblatt, insbesondere eines aus einem keramischen Verbundwerkstoff „CMC“ (Ceramic Matrix Component), wobei eine Beschichtung auf dem CMC vorgesehen ist, die chemisch zu dem Substratmaterial kompatibel und/oder nahezu porenfrei ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Teil eines Umgebungs-Beschichtungssystems (Environmental barrier coatings (EBC)) für eine Gasturbinenschaufel und/oder ein Gasturbinenblatt, insbesondere eines aus einem keramischen Matrix-Komponenten-Material „CMC“ (Ceramic Matrix Component).
  • Gasturbinen werden zur Energiegewinnung elektrischer Energie über Verbrennungsgas in einer Verbrennungskammer eingesetzt. Dabei fließt das heiße Gas in die Turbine, die mit einem Generator verbunden ist. Um die Effizienz der Gasturbine zu steigern, wird das Gas so heiß wie möglich eingeleitet. Je heißer das Gas, desto höhere Ansprüche an die Beschichtungsmaterialien, die die Turbinenblätter und Turbinenschaufeln vor Schäden durch das heiße Gas schützen.
  • Bislang werden die Turbinenblätter und Turbinenschaufeln aus einer Superlegierung mit einer Haftschicht und einer thermischen Barriereschicht (TBC, Thermal Barrier Coating) aufgebaut, wobei diese beiden Schichten sowohl die Gastemperatur beschränken als auch ein Kühlsystem erfordern. Eine alternative Herangehensweise ist die Entwicklung von keramischen Verbundwerkstoffen, sog. Ceramic-Matrix-Component “CMC“-. Diese Trägerstrukturen halten höhere Temperaturen als Superlegierungen aus, haben eine geringere Dichte und eine bessere Oxidationsbeständigkeit, insbesondere die oxidischen CMCs. Die eingeschränkte Bruchfestigkeit und Schadenstoleranz der keramischen Materialien wird grundsätzlich durch Faserverstärkung verbessert und ausgeglichen.
  • Trotzdem sind die CMCs anfällig gegenüber den Bestandteilen des heißen Gases, wie beispielsweise Wasserdampf, wie die herkömmlichen Superlegierungen. Deswegen werden die CMC-Trägerstrukturen mit einer Haftschicht und darauf zumindest ein bis zwei Schutzschichten, die im Ganzen als Umgebungs-Beschichtungssystem (Environmental barrier coatings (EBC)) bezeichnet werden, vor Umgebungseinflüssen bewahrt.
  • Typische EBC-Beschichtungssysteme für beispielsweise Siliziumcarbid SiC/SiC-CMCs sind aus Barium-Strontium-Aluminium-Silikaten (BSAS) oder Silikaten von seltenen Erden, also Yttrium, Ytterbium wie z.B. Y2Si2O7, Y2SiO5) im Sinne einer gemischten Mullit-BSAS Beschichtung auf einer Silizium-Haftschicht aufgebaut.
  • Zusätzlich kann gemäß dem Stand der Technik, wie er beispielsweise aus der WO 2010/080240 und/oder aus der US 2010/0158680 bekannt ist, eine separate Barriereschicht gegen das Eindringen von flüssigen CMAS, also Calcium, Magnesium, Aluminiumsilikaten, auf dem EBC-Beschichtungssystem vorgesehen sein.
  • Aus DE 10 2015 205 807.7 ist eine kombinierte Schutzschicht gegen Feuchte, Sauerstoff und Eindringen von Calcium, Magnesium und/oder Aluminiumsilikaten (CMAS) in eine Trägerstruktur aus keramischem Matrixmaterial für Hochtemperatur-Anwendungen, eine keramische Komponente, einen Spinell der allgemeinen Formel (Mg, Zn, Fe, Mn) – Al2O4, einen Perowskit der allgemeinen Formel (RE1, RE2)AlO3, wobei RE1 für ein dreiwertiges Kation eines seltenen Erden-Elements steht und gleich oder ungleich RE2 sein kann, einen Oxyapatit und/oder einen Granaten mit einer allgemeinen Formel (RE1RE2RE3)Al5O12 wobei RE1, RE2 und RE3 jeweils für ein dreiwertiges Kation eines seltenen Erden-Elements steht und gleich oder verschieden sein können, sowie beliebige Mischungen der vorgenannten Verbindungen umfassend, bekannt.
  • Nachteilig am Stand der Technik ist, dass der das Beschichtungssystem zu viele Schichten umfasst, wobei Haftungsprobleme bei den Grenzflächen und insbesondere auch Unterschiede in den thermischen Ausdehnungskoeffizienten zu Instabilitäten der Beschichtungssysteme für Gasturbinenschaufeln und/oder Gasturbinenblätter führen kann.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Verbesserung des Beschichtungssystems für eine Gasturbinenschaufel- und/oder ein Gasturbinenblatt zu schaffen, das die Nachteile des Standes der Technik minimiert oder überwindet.
  • Lösung der Aufgabe und Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist daher eine Beschichtung für eine Gasturbinenschaufel und/oder ein Gasturbinenblatt aus einem keramischen Verbundwerkstoff (CMC), wobei das Material des Gasturbinenblatts und/oder der Gasturbinenschaufel und eine darauf befindliche wasserdichte Beschichtung chemisch kompatibel sind, weil in der Matrix des CMCs Partikel und/oder Fasern eingearbeitet sind, die aus einem gleichen oder einem chemisch übereinstimmendem, zumindest aber kompatiblen, Material sind wie sie in der wasserdichten Beschichtung enthalten sind, wobei dieses übereinstimmende oder kompatible Material insbesondere auf Aluminiumoxid, Yttrium Aluminium Granat oder Garnet (YAG) und/oder Yttrium Stabilized Zirkonoxid (YSZ) sowie beliebiger Mischungen dieser Komponenten basiert.
  • Als chemisch kompatibles Material wird insbesondere ein Material bezeichnet, das eine übereinstimmende chemische Summenformel hat. Dabei kann die Modifikation, in der das chemisch übereinstimmende Material vorliegt, durchaus ganz verschieden sein, so dass ein amorphes Material oder keramisch gesintertes Material mit einem kristallinen oder teilkristallinem Material im Sinne der vorliegenden Erfindung „kompatibel“ ist.
  • Vorteilhafterweise ergibt sich daraus eine Beschichtung mit einer sehr dichten Mikrostruktur, deren Gewicht über 90% ihres theoretischen Gewichts beträgt, so dass in der Beschichtung ein nahezu porenfreies Material vorliegt, das eine hohe Schutzwirkung auf, beispielsweise ein Turbinenblatt, ausübt. Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Beschichtung ist diese nahezu porenfrei, das heißt die Beschichtung weist eine Dichte auf, die ein Gewicht der Beschichtung bedingt, das größer oder gleich 95% des theoretischen Gewichts, also bei 100% Dichte, und theoretischer Porenfreiheit ist.
  • Die Füllstoffe im CMC können in einer oder in mehreren verschiedenen Fraktionen, wobei Unterschiede in der Partikelgröße, von mehreren Mikrometer bis Nanometer, bestehen können, vorliegen.
  • Des Weiteren können Unterschiede in der Partikelzusammensetzung des oder der Füllstoffe vorliegen, beispielsweise ausgehend von einem Füllstoff aus reinem Y3Al15O12 (YAG) über ein 50:50 Mol% Gemisch mit einem stabilisiertem Zirkonium (IV) – oxid, beispielsweise YSZ, bis zu reinem Zirkonium (IV) – oxid, bevorzugt mit 4 Mol% bis 8 Mol% Yttriumoxid Y2O3 stabilisiert.
  • Die Füllstoffe liegen bevorzugt weder in der Matrix noch im CMC amorph vor, sondern polykristallin, teilkristallin und/oder kristallin.
  • Die Fasern können beispielsweise auf Basis von Aluminiumoxid, und/oder Mullit sein und haben zumindest amorphe Anteile.
  • Die bevorzugte Partikelgröße der im Folgenden als „grob“ bezeichneten, vorzugsweise zumindest teilkristallin vorliegenden Partikel des oder der Füllstoffe liegen beispielsweise im Bereich von 500nm bis 15 µm wobei im Bereich der Korngrößen von 700nm bis 3 µm eine Häufung an geeigneten Partikeln vorliegt. Die feinen Partikel sintern während der Herstellung einer Beschichtung zu einem festen Material mit keramischer Mikrostruktur.
  • Ebenso können die Füllstoffe in verschiedene Formen, sphärisch, plättchen- oder stabförmig vorliegen.
  • Nach einer vorteilhaften Ausbildung der Erfindung wird das Beschichtungssystem der Gasturbinenschaufel und/oder des Gasturbinenblatts gleich mit der Gasturbine und/oder dem Gasturbinenblatt hergestellt. Allerdings kann ebenso gut eine Beschichtung eines bereits fertigen Gasturbinenblattes oder einer Gasturbinenschaufel, also beispielsweise eine Nachrüstung, erfolgen.
  • Im Folgenden wird die Erfindung noch anhand einiger Beispiele näher erläutert:
    Eine erfindungsgemäß sehr dichte auf YAG und/oder YSZ basierende Beschichtung wird durch Aufbringen eines Schlickers und anschließende Wärmebehandlung hergestellt. Beispielsweise wird der Schlicker durch Mischen grober Partikel, beispielsweise Partikel im Mikrometerbereich, und/oder feiner Füllstoffpartikel im Nanometer-Submikrometerbereich mit deionisiertem, destilliertem Wasser gerührt oder gemischt.
  • Beispielsweise kann das Verhältnis Füllstoffe zu Wasser 70:30 betragen, wobei beliebige andere Verhältnisse genauso einsetzbar sind.
  • In der fertigen Mischung liegt dann in wässriger Lösung fester Füllstoff im Bereich von 10 bis 60 Vol% vor. Bevorzugt liegt der Anteil an Füllstoff im Bereich von 20 bis 50 Vol% und insbesondere bevorzugt im Bereich von ca. 30 bis 40 Vol% Füllstoff – also beispielsweise Partikel aus Al2O3, YAG und/oder YSZ – wiederum beispielsweise in verschiedenen Partikelfraktionen – vor. Optional kann sowohl ein Binder oder eine Bindermischung, eine Dispergierhilfe und/oder eine Sinterhilfe noch beigemischt sein, diese Komponenten sind dem mit der Technik vertrauten Fachmann geläufig und sowohl in Material als auch in Menge von diesem leicht für das jeweilige System passend aufzufinden.
  • Entscheidend ist, dass das Material als wasserhaltiger Schlicker auf das CMC-Substrat aufgebracht wird und mit diesem einer Wärmebehandlung unterzogen wird. Dabei können Temperaturen bis zu 1100°C realisiert werden. Dabei entsteht eine Beschichtung, die gesintertes Material, in dem Füllstoffpartikel in beispielsweise Mikrometergröße enthalten sind.
  • Ein so hergestellter fester Verbund aus dichter wasserfester Beschichtung gemäß der Erfindung und Gasturbinenblatt und/oder Gasturbinenschaufel kann wie beispielsweise durch optische Verfahren wie REM-Aufnahmen charakterisiert werden, wobei das Substrat, also beispielsweise das Gasturbinenblatt als Schicht mit Fasern und die Beschichtung als Schicht ohne Fasern und mit Füllstoffpartikel zu erkennen ist. Die REM Aufnahmen können auch mit chemischen Analysen zur Charakterisierung kombiniert werden.
  • Nach einer weiteren Ausführungsform umfasst das CMC-Material der Gasturbinenschaufel und/oder des Gasturbinenblatts stabilisierende Fasern, die aus dem gleichen Material wie die groben oder feinen Füllstoffe der Beschichtung sind, beispielsweise aus Al2O3, YAG und/oder YSZ. Analytisch können dann das CMC-Substratmaterial und das Beschichtungsmaterial beispielsweise dadurch unterschieden werden, dass im Substratmaterial Fasern und gegebenenfalls auch Partikel und in der Beschichtung zwar Partikel des gleichen Oxids oder der gleichen Oxidmischung aber keine Fasern vorliegen.
  • Der Schlicker wird nach üblichen Methoden, beispielsweise über Besprühen, Eintauchen, Aufpinseln oder ähnliches auf das Substrat aufgebracht. Die Beschichtung ergibt sich durch Sintern und Tempern der mit Schlicker beschichteten Gasturbinenschaufel oder des Gasturbinenblattes. Dabei sintern die feinen Füllstoffpartikel und ergeben eine nahezu porenfreie keramische Beschichtung während die größeren und gröberen Partikel für die Festigkeit und Widerstandsfähigkeit der Beschichtung sorgen.
  • Im Folgenden wird die Erfindung noch anhand einer Figur, die einen beispielhaften Aufbau eines Beschichtungssystems nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt, näher erläutert:
    Zu erkennen ist unten das Substrat 1, also beispielsweise ein Substrat aus einer CMC. Eine CMC umfasst eine Matrix aus beispielsweise einer oxidischen oder einer nicht-oxidischen Keramik wie SiC, Si3N4, SiO2, Al2O3 sowie beliebige Mischungen daraus wie beispielsweise aus der EP 1394138 bekannte CMC-Matrizen. In der Matrix befinden sich dann beispielsweise Fasern, die insbesondere zur Verstärkung dienen. Beispielsweise können aber auch Füllstoffpartikel in die Matrix eingearbeitet sein. Der Inhalt der EP 1394138 wird hiermit, die CMC-Substrate betreffend auch zum Gegenstand der vorliegenden Offenbarung gemacht. In diese Matrix aus den oben genannten Materialien sind zur Steigerung der Festigkeit im CMC noch Fasern und gegebenenfalls auch noch Partikel eingearbeitet. Die Fasern sind beispielsweise aus dem gleichen Material wie die Füllstoffe des Schlickers aus dem die auf dem Substrat aufliegenden wasserdampfdichte Beschichtung 2 gemacht ist.
  • Vorliegend wird ein Substrat, wie ein Gasturbinenblatt aus einer Matrix mit Faserfüllung beschrieben, wobei die Matrix und die Fasern gegebenenfalls aus gleichem chemischem Material, beispielsweise Aluminiumoxid, sind. Auf diesem Substrat befindet sich eine Beschichtung, die über einen Schlicker herstellbar ist, wobei die Beschichtung wiederum das gleiche Material hat, allerdings in Form einer gesinterten Keramik mit groben Füllstoffpartikel, beispielsweise im Mikrometerbereich.
  • Diese Beschichtung ist durch Erhitzen und Sintern eines Schlickers auf dem CMC Substrat herstellbar, wobei der Schlicker zumindest eine Fraktion eines feineren Füllstoffes und eine Fraktion eines gröberen Füllstoffes umfasst und durch das Sintern eine gesinterte Keramik aus dem feineren Füllstoffpartikeln entsteht und die gröberen Partikel in der fertigen Beschichtung noch nachweisbar bleiben.
  • Auf dem Substrat 1 befindet sich die chemisch kompatible wasserdichte Barriereschicht 2 die Füllstoffpartikel umfasst, die nach einer bevorzugten Ausführungsform das gleiche Material wie im CMC-Substrat enthaltene Füllstoffpartikel aufweist. Die Anbindung der wasserdichten nahezu porenfreien Beschichtung 2 an das Substrat ist wegen der chemischen Kompatibilität ausgezeichnet, weil sich keine echten Grenzflächen ausbilden, die verbunden werden müssen, sondern die Grenzflächen ineinander übergehen und Grenzbereiche bilden.
  • Auf der wasserdichten Beschichtung 2 befindet sich vorteilhafterweise noch eine thermische Barriereschicht TBC 3, die nach üblichen Methoden aufbringbar ist.
  • Die Dicke der Schicht liegt beispielsweise im Mikrometerbereich im Bereich von ca. 500nm bis 10 mm.
  • Die Erfindung betrifft ein Beschichtungssystem für eine Gasturbinenschaufel und/oder ein Gasturbinenblatt, insbesondere eines aus einem keramischen Matrix-Komponenten-Material „CMC“ (Ceramic Matrix Component), wobei eine wasserdampfdichte keramische Beschichtung auf dem CMC Substrat vorgesehen ist, die chemisch zu dem Substratmaterial kompatibel und nahezu porenfrei ist.
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  • Zitierte Patentliteratur
    • WO 2010/080240 [0006]
    • US 2010/0158680 [0006]
    • DE 102015205807 [0007]
    • EP 1394138 [0027, 0027]

Claims (7)

  1. Beschichtung für eine Gasturbinenschaufel und/oder ein Gasturbinenblatt aus einem keramischen Verbundwerkstoff (CMC), wobei das Material des Gasturbinenblatts und/oder der Gasturbinenschaufel und eine darauf befindliche wasserdichte Beschichtung chemisch kompatibel sind, weil in der Matrix des CMCs Partikel und/oder Fasern eingearbeitet sind, die aus einem gleichen oder einem chemisch übereinstimmendem, zumindest aber kompatiblen, Material sind wie sie in der wasserdichten Beschichtung enthalten sind, wobei dieses übereinstimmende oder kompatible Material insbesondere auf Aluminiumoxid, Yttrium Aluminium Granat oder Garnet (YAG) und/oder Yttrium Stabilized Zirkonoxid (YSZ) sowie beliebiger Mischungen dieser Komponenten basiert.
  2. Beschichtungssystem nach Anspruch 1, wobei in der wasserdichten Beschichtung Partikel einer durchschnittlichen Größe im Mikrometerbereich vorliegen.
  3. Beschichtungssystem nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei in der wasserdichten Beschichtung eine Matrix aus einer gesinterten Keramik vorliegt.
  4. Beschichtungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Dichte der wasserdichten Beschichtung größer 90% ist.
  5. Beschichtungssystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Gewicht der Beschichtung größer oder gleich 90% des theoretischen Gewichts der Beschichtung ist.
  6. Beschichtungssystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die wasserdichte Beschichtung ohne geschlossene Poren ist.
  7. Beschichtungssystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die wasserdichte Beschichtung ohne offene Poren ist.
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