DE102018221940A1 - Keramisches Material, Schicht und Schichtsystem - Google Patents

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Abstract

Durch ein keramisches Material mit den Stabilisatoren Yttriumoxid sowie zumindest eines der Materialien Erbiumoxid oder Ytterbiumoxid wird eine sinterstabile Phase für ein keramisches Material für keramische Schichten und ein keramisches Schichtsystem aufgezeigt, das die mechanischen und thermischen Eigenschaften auch beim Einsatz von hohen Temperaturen lange Zeit aufweist.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein keramisches Material auf der Basis Zirkonoxid mit Stabilisatoren, eine Schicht und ein Schichtsystem daraus.
  • Turbinenschaufeln oder generell Komponenten für den Hochtemperatureinsatz werden oft mit thermischen Wärmedämmschichten versehen. Dies sind meistens keramische Wärmedämmschichten auf der Basis Zirkonoxid, voll- oder teilstabilisiert oder auf der Basis von Pyrochloren, wie zum Beispiel Gadoliniumzirkonat.
  • Anforderungen an die keramische Wärmedämmschicht neben der geringen thermischen Leitfähigkeit sind eine hohe Bruchzähigkeit und geringes Sinterverhalten, damit die mechanischen Belastungen auch über die Zeit aufrechterhalten werden können.
  • Es ist daher Aufgabe der Erfindung ein keramisches Material aufzuzeigen, was diese Probleme löst.
  • Die Aufgabe wird gelöst durch keramisches Material nach Anspruch 1, eine Schicht nach Anspruch 12 und ein Schichtsystem nach Anspruch 15.
  • Die 1, 2 zeigen schematisch ein Schichtsystem auf Basis der Erfindung.
  • Die Figuren und die Beschreibung stellen Ausführungsbeispiele dar.
  • Das keramische Material weist eine tetragonale und kubische Kristallstruktur auf, die von dem Anteil des Stabilisators Yttriumoxid abhängt. Die tetragonale Phase wird stabilisiert durch den Anteil von Yttriumoxid.
  • Das keramische Material auf der Basis Zirkonoxid (ZrO2) enthält Yttriumoxid (Y2O3) sowie zumindest einen weiteren, insbesondere zwei, ganz insbesondere nur zwei weitere Oxide ausgewählt aus der Gruppe Erbiumoxid (Er2O3) und Ytterbiumoxid (Yb2O3), die vorzugsweise als Stabilisatoren wirken.
  • Optional ist zumindest ein weiteres Oxid, insbesondere zumindest zwei weitere Oxide, ausgewählt aus der Gruppe: Hafniumoxid (HfO2), Ceroxid (CeO2), Calciumoxid (CaO) und/oder Magnesiumoxid (MgO) vorhanden, deren Anteil insbesondere bei mindestens 0,1mol%, insbesondere bei mindestens 0,5mol% liegt und insbesondere maximal 5mol% beträgt.
  • Der Anteil von Yttriumoxid (Y2O3) liegt vorzugsweise bei 2.0mol% - 3.9mol%, insbesondere bei 2,5mol% - 3,5mol%.
  • Vorzugsweise werden 2,1mol% - 4,9mol% Erbiumoxid (Er2O3) und/oder Ytterbiumoxid (Yb2O3), insbesondere 2,5mol% - 4,5mol% Erbiumoxid (Er2O3) und/oder Ytterbiumoxid (Yb2O3) verwendet.
  • Der Anteil von Ytterbiumoxid (Yb2O3) beträgt vorzugsweise 3, 5mol% Ytterbiumoxid (Yb2O3) .
  • Der Anteil von Yttriumoxid (Y2O3) beträgt vorzugsweise 3, 0mol% Yttriumoxid (Y2O3) .
  • Ausführungsbeispiele (nicht abschließend) sind: ZrO2 / Y2O3 / Yb2O3 +
    • - HfO2
    • - CeO2
    • - CaO
    • - MgO
    • - CeO2 + CaO
    • - CeO2 + MgO
    • - CaO + MgO
    • - HfO2 + CeO2
    • - HfO2 + CaO
    • - HfO2 + MgO
    • - CeO2 + CaO + MgO
    • - HfO2 + CaO + MgO
    • - HfO2 + CeO2 + MgO
    • - HfO2 + CeO2 + CaO
    • - HfO2 + CeO2 + CaO + MgO
  • Aus diesem keramischen Material kann eine keramische Schicht hergestellt werden. Zur Schichterstellung können alle Beschichtungsverfahren aus dem Stand der Technik verwendet werden, wie zum Beispiel Plasmaspritzen, (APS, VPS, LPPS, ...) oder HVOF.
  • Eine keramische Schicht aus diesem keramischen Material weist insbesondere eine Dicke von 20pm, insbesondere 200µm bis 2000pm auf und wird durch atmosphärisches Plasmaspritzen hergestellt. Ebenso kann die Schicht durch ein EBPVD-Verfahren hergestellt werden und weist dann vorzugsweise eine Schichtdicke von 20pm bis 1000pm auf.
  • Die keramische Schicht kann im Schichtsystem als Einfachschicht (1) oder als Doppelschicht (2) aufgebracht werden.
  • Die 1 zeigt ein Schichtsystem 1 aus einem Substrat 4. Das Substrat 4 ist vorzugsweise metallisch und vorzugsweise eine nickel- oder kobaltbasierte Superlegierung. Ebenso kann das Substrat 4 keramisch ausgebildet sein, insbesondere ein CMC-Material aufweisen.
  • Auf dem Substrat 4 ist eine Anbindungsschicht 7 vorhanden. Im Falle eines metallischen Materials ist dies vorzugsweise eine NiCoCrAlY Schicht 7.
  • Auf der Anbindungsschicht 7 ist dann eine Einfachschicht 10 aus dem erfindungsgemäßen keramischen Material vorhanden.
  • 2 zeigt ein weiteres Schichtsystem 1', bei dem die Einfachschicht durch eine Doppelschicht 13 ersetzt wird durch eine innere Schicht 16, insbesondere auf der Basis von Yttrium-teilstabilisiertem Zirkonoxid, aber verschieden von dem Material der äußeren Schicht, und einer äußeren Schicht 19 auf der Basis des erfindungsgemäßen keramischen Materials.
  • Die untenliegende keramische Anbindungsschicht 16 ist vorzugsweise eine teilstabilisierte Yttriumoxid-Zirkonoxid-Schicht, insbesondere mit 3mol% - 4mol% Yttriumoxid (Y2O3).
  • In beiden Fällen (1, 2) kann zumindest die äußere keramische Schicht 10, 19 segmentiert sein (DVC).

Claims (17)

  1. Keramisches Material auf der Basis von Zirkonoxid (ZrO2) mit Yttriumoxid (Y2O3) und zumindest einem weiteren Oxid ausgewählt aus der Gruppe: Erbiumoxid (Er2O3) und Ytterbiumoxid (Yb2O3) sowie optional mit zumindest einem weiteren Oxid, insbesondere mit zumindest zwei weiteren Oxiden, ausgewählt aus der Gruppe: Hafniumoxid (HfO2), Ceroxid (CeO2), Calciumoxid (CaO) und/oder Magnesiumoxid (MgO), deren Anteil insbesondere bei mindestens 0,1mol%, insbesondere bei mindestens 0,5mol% liegt und insbesondere maximal 5mol% beträgt. insbesondere dass das keramische Material daraus besteht.
  2. Keramisches Material nach Anspruch 1, bei dem Yttriumoxid (Y2O3), Erbiumoxid (Er2O3) und Ytterbiumoxid (Yb2O3) als Oxide verwendet werden, optional mit zumindest einem weiteren Oxid, insbesondere mit zumindest zwei weiteren Oxiden, ausgewählt aus der Gruppe: Hafniumoxid (HfO2), Ceroxid (CeO2), Calciumoxid (CaO) und/oder Magnesiumoxid (MgO), insbesondere nur diese.
  3. Keramisches Material nach Anspruch 1, bei dem Yttriumoxid (Y2O3) und Erbiumoxid (Er2O3) als Oxide verwendet werden, optional mit zumindest einem weiteren Oxid, insbesondere mit zumindest zwei weiteren Oxiden, ausgewählt aus der Gruppe: Hafniumoxid (HfO2), Ceroxid (CeO2), Calciumoxid (CaO) und/oder Magnesiumoxid (MgO), insbesondere nur diese.
  4. Keramisches Material nach Anspruch 1, bei dem Yttriumoxid (Y2O3) und Ytterbiumoxid (Yb2O3) als Oxide verwendet werden, optional mit zumindest einem weiteren Oxid, insbesondere mit zumindest zwei weiteren Oxiden, ausgewählt aus der Gruppe: Hafniumoxid (HfO2), Ceroxid (CeO2), Calciumoxid (CaO) und/oder Magnesiumoxid (MgO), insbesondere nur diese.
  5. Keramisches Material nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, das 4,0mol% - 16mol% Yttriumoxid (Y2O3) aufweist, insbesondere 6,0mol% - 16mol% Yttriumoxid (Y2O3) aufweist.
  6. Keramisches Material nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, das 2,0mol% - 3,9mol% Yttriumoxid (Y2O3) aufweist, insbesondere 2,5mol% - 3,5mol% Yttriumoxid (Y2O3) aufweist.
  7. Keramisches Material nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2, 3, 4, 5 oder 6, das 2mol% - 40mol% Erbiumoxid (Er2O3) und/oder Ytterbiumoxid (Yb2O3), insbesondere 5mol% - 32mol% Erbiumoxid (Er2O3) und/oder Ytterbiumoxid (Yb2O3) aufweist.
  8. Keramisches Material nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2, 3, 4, 5 oder 6, das 2,1mol% - 4, 9mol% Erbiumoxid (Er2O3) und/oder Ytterbiumoxid (Yb2O3), insbesondere 2, 5mol% - 4, 5mol% Erbiumoxid (Er2O3) und/oder Ytterbiumoxid (Yb2O3) aufweist.
  9. Keramisches Material nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 oder 8, das 2,5mol% - 4,5mol% Ytterbiumoxid (Yb2O3), insbesondere 3, 0mol% - 4,0mol% Ytterbiumoxid (Yb2O3) und 2, 0mol% - 4,0mol% Yttriumoxid (Y2O3), insbesondere 2,5mol% - 3,5mol% Yttriumoxid (Y2O3) aufweist.
  10. Keramisches Material nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2, 3, 5, 6, 7, 8 oder 9, aufweisend 3,5mol% Ytterbiumoxid (Yb2O3).
  11. Keramisches Material nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2, 4, 5, 6, 7, 8, 9 oder 10, aufweisend 3, 0mol% Yttriumoxid (Y2O3).
  12. Keramische Schicht, aufweisend ein keramisches Material nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, insbesondere bestehend aus einem keramischen Material nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11.
  13. Keramische Schicht nach Anspruch 12, hergestellt durch APS und insbesondere aufweisend eine Schichtdicke von 20pm bis 2000pm.
  14. Keramische Schicht nach Anspruch 12, hergestellt durch EB-PVD und insbesondere aufweisend eine Schichtdicke von 20pm bis 1000µm.
  15. Schichtsystem, zumindest aufweisend ein Substrat (4), metallisch oder keramisch, eine Anbindungsschicht (7), entweder metallisch oder keramisch, zumindest eine Schicht (10, 19) aus dem keramischen Material nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11 oder eine keramische Schicht nach einem oder zwei der Ansprüche 12 bis 14.
  16. Schichtsystem nach Anspruch 15, bei dem eine keramische Anbindungsschicht (16) zwischen einer äußeren Schicht (19) vorhanden ist, insbesondere wobei die Anbindungsschicht (7) teilstabilisiertes Zirkonoxid aufweist, insbesondere daraus besteht.
  17. Schichtsystem nach Anspruch 15 oder 16, bei dem zumindest die äußere keramische Schicht (19) segmentiert ist.
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