DE102017206063A1 - Teil- und vollstabilisiertes Zirkonoxidpulver als keramische Schicht - Google Patents

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Abstract

Durch die Verwendung einer physikalischen Mischung von teilstabilisiertem und vollstabilisiertem Zirkonoxidpulver zur Herstellung einer Wärmedämmschicht werden gute Wärmedämmeigenschaften und mechanische Eigenschaften erzielt.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein keramisches Schichtsystem, bei dem teilstabilisiertes und vollstabilisiertes Pulver als physikalische Mischung verspritzt wird oder worden ist.
  • Für Hochtemperaturanwendungen wie bei Gasturbinen werden metallische Substrate oft durch keramische Wärmedämmschichten geschützt.
  • Typische Wärmedämmschichten (TBC) weisen Zirkonoxid auf, die teilstabilisiert sind wie 8 Gew.-% Yttrium-stabilisiertes Zirkonoxid. Ebenso bekannt ist vollstabilisiertes Zirkonoxid, das dann meistens als Anbindungsschicht eine teilstabilisierte Zirkonschicht auf dem Substrat aufweist. Doppellagige Systeme haben aber immer das Problem des Unterschieds in thermischen Ausdehnungskoeffizienten.
  • Es ist daher Aufgabe der Erfindung oben genanntes Problem 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.
  • Es zeigen 1 bis 4 keramische Wärmedämmschichtsysteme.
  • Es wird vorgeschlagen, eine physikalische Mischung von teilstabilisiertem und vollstabilisiertem Zirkonoxid zu verwenden. Vorzugsweise wird 8 Gew.-% Yttrium-teilstabilisiertes Zirkonoxid (PSZ) und 22% bis 48% Yttrium-vollstabilisiertes Zirkonoxid (FSZ) verwendet. Die Bereichsangaben für die Stabilisierung können variieren, ebenso können die Art der Stabilisatoren verändert werden, wie z. B. Ytterbium, Europium usw. oder auch Mischungen können verwendet werden.
  • 1 zeigt ein erfindungsgemäßes keramisches Schichtsystem 1' mit einem Substrat 4 einer vorzugsweise vorhandenen metallischen Haftvermittlerschicht 7, insbesondere auf MCrAlY-Basis, und einer äußeren keramischen Wärmedämmschicht 10, die eine physikalische Mischung von teilstabilisiertem und vollstabilisiertem Zirkonoxid (ZrO2) aufweist. M ist vorzugsweise Nickel (Ni) und/oder Kobalt (Co).
  • Für die Herstellung der keramischen Wärmedämmschicht 10 werden entweder Pulver aus FSZ und PSZ miteinander vorab vermischt und versprüht oder Pulver aus FSZ und PSZ werden innerhalb einer Spritzdüse zusammengeführt und zusammen aufgespritzt.
  • Andere Vorgehensweisen sind möglich.
  • Der Anteil von FSZ in der Mischung oder in der TBC beträgt vorzugsweise zwischen 10 Gew.-% und 90 Gew.-%.
  • 2 zeigt eine ähnliche Ausführung eines Schichtsystems 1", bei der, wie durch den Pfeil angedeutet, in der keramischen Schicht 10' ein Konzentrationsgradient C vorhanden ist, so dass der Anteil der vollstabilisierten Phase FSZ beispielsweise nach außen hin zur äußersten Oberfläche 19 ansteigt.
  • Der Konzentrationsgradient C kann sich über die gesamte Schichtdicke der keramischen Schicht 10' erstrecken oder auch nur teilweise.
  • Die 3 zeigt ausgehend von 1 oder 2 die Möglichkeit, dass das Substrat 4, 4' und/oder die Haftvermittlerschicht 7 eine bearbeitete strukturierte Oberfläche 13 (engineered surfaces) aufweist, um eine bessere Anhaftung der keramischen Wärmedämmschicht 10, 10', 10" an das Substrat 4' oder Haftvermittlerschicht 7' zu erzielen.
  • Die strukturierte Oberfläche 13 des Substrats 4' oder der Haftvermittlerschicht 7 stellt eine mindestens 50% größere Rauheit gegenüber unbearbeiteten Substraten 4 oder unbearbeiteten Haftvermittlerschichten her.
  • 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel ausgehend von 1, 2 oder 3, bei dem ausgehend von der äußersten Oberfläche 19 der keramischen Wärmedämmschicht 10, 10', 10" Vertiefungen oder Längsrisse 16', 16" vorhanden sind, die vorzugsweise nachträglich eingebracht wurden, z. B. durch einen Laser (laser engravings) oder durch entsprechende Beschichtungsverfahren bzw. nachträgliche Wärmebehandlungsverfahren oder die vorzugsweise während des Beschichtens erzeugt wurden (Dense Vertical Cracks, DVC).
  • Die Merkmale der Risse 16', 16", ... oder Vertiefungen 16', 16", ... (4) und/oder der bearbeiteten Haftoberfläche 13 (3) können miteinander kombiniert (2, 3, 4) werden kann.
  • Das Substrat 4, 4' (1, 2, 3, 4) kann auch aus CMC sein, wobei dann die Haftvermittlerschicht 7 vorzugsweise auch keramisch ist.

Claims (7)

  1. Keramisches Wärmedämmschichtsystem (1', 1", 1"', 1IV), das zumindest aufweist: ein Substrat (4, 4'), insbesondere entweder ein metallisches Substrat (4, 4'), ganz insbesondere auf Nickel- oder Kobalt-Superlegierungsbasis, oder ein Substrat (4, 4') aus CMC; insbesondere eine Haftvermittlerschicht (7), die entweder im Falle eines metallischen Substrats (4, 4') metallisch ist, insbesondere eine MCrAlY-Legierung aufweist, wobei M für Nickel und/oder Kobalt steht, vorzugsweise Nickel und Kobalt, oder im Falle eines Substrats (4, 4') aus CMC eine keramische Anbindungsschicht; sowie eine äußere keramische Wärmedämmschicht (10, 10', 10"), die (10, 10', 10") Körner sowohl aus teilstabilisiertem (PSZ) als auch vollstabilisiertem (FSZ) Zirkonoxid aufweist.
  2. Keramisches Wärmedämmschichtsystem nach Anspruch 1, bei dem die Stabilisierung des Zirkonoxids durch Yttriumoxid erfolgt, insbesondere 8% für die Teilstabilisierung und/oder 22% bis 48% für Vollstabilisierung.
  3. Keramisches Wärmedämmschichtsystem nach einem oder beiden der Ansprüche 1 oder 2, bei dem die Konzentration (c) des vollstabilisierten Zirkonoxids (FSZ) zur äußersten Oberfläche (19) der keramischen Wärmedämmschicht (10', 10") zunimmt.
  4. Keramisches Wärmedämmschichtsystem (1) nach einem oder beiden der Ansprüche 1 oder 2, bei dem das Mischungsverhältnis von PSZ und FSZ über die gesamte Dicke der keramischen Schicht (10, 10") konstant ist.
  5. Keramisches Wärmedämmschichtsystem (1) nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2, 3 oder 4, bei dem ausgehend von der äußersten Oberfläche (19) der keramischen Schicht (10, 10', 10") Vertiefungen (16', 16", ...) oder längere vertikale Risse (16', 16", ...) vorhanden sind, die insbesondere per Laser eingebracht wurden oder während des Beschichtungsverfahrens oder durch eine Nachbehandlungsmethode erzeugt wurden.
  6. Keramisches Wärmedämmschichtsystem nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, bei dem die Oberfläche des Substrats (4') oder der Haftvermittlerschicht (7) auf dem Substrat (4'), auf der die keramische Schicht (10) oder die Haftvermittlerschicht (7) aufgebracht ist, bearbeitet wurde.
  7. Keramisches Wärmedämmschichtsystem nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, bei dem der Anteil von FSZ mindestens 10 Gew.-% und maximal 90 Gew.-% beträgt.
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