DE102019217445A1 - Keramisches Material, Pulver sowie Schichtsystem - Google Patents

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Abstract

Durch die Auswahl von bestimmten Stabilisatoren und einen angepassten Anteil wird ein verbessertes keramisches Material zur Wärmedämmung erzielt:Zirkonoxid mit 0,2 Gew.-% bis 8,0 Gew.-% Basisstabilisatoren: Yttriumoxid (Y2O3), Hafniumoxid (HfO2), Ceroxid (CeO2), Kalziumoxid (CaO) und/oder Magnesiumoxid (MgO), wobei zumindest Yttriumoxid (Y2O3) verwendet wird, sowie optional zumindest einer der Zusatz-Stabilisatoren: 0,2 Gew.-% bis 20 Gew.-% Erbiumoxid (Er2O3) und/oder Ytterbiumoxid (Yb2O3).

Description

  • Die Erfindung betrifft ein keramisches Material und damit hergestelltes Pulver, das für keramische Schichtsysteme verwendet werden kann.
  • Keramiken weisen im Allgemeinen eine hohe Temperaturstabilität auf und werden daher oft als keramische Beschichtungen auf Hochtemperaturbauteilen, wie Turbinen, insbesondere Gasturbinen verwendet.
  • Es ist das stetige Bestreben die Wärmedämmeigenschaften des keramischen Materials zu verbessern.
  • Es ist daher Aufgabe der Erfindung oben genanntes Problem zu lösen.
  • Die Aufgabe wird gelöst durch eine Keramik nach Anspruch 1, ein keramisches Pulver nach Anspruch 16 und ein Schichtsystem nach Anspruch 17.
  • Keramische Schichten sind auf der Basis Zirkonoxid mit Stabilisatoren bekannt, wobei hier oft vollstabilisiertes Zirkonoxid aufgrund seiner besseren thermischen Stabilität verwendet wird.
  • Ziel der Idee ist es aber, teilstabilisiertes Zirkonoxid mit einer verbesserten, insbesondere thermischen Stabilität zu verwenden.
  • Das Zirkonoxid wird mit 0,2 Gew.-% bis 8 Gew.-%, insbesondere mit 0,2 Gew.-% bis 6,0 Gew.-% Basisstabilisatoren: Yttriumoxid, Hafniumoxid, Ceroxid, Kalziumoxid und/oder Magnesiumoxid stabilisiert sowie optional mit Zusatzstabilisatoren 0,2 Gew.-% bis 20 Gew.-% Erbiumoxid und/oder Ytterbiumoxid.
  • Yttriumoxid wird jeden Fall verwendet und zumindest einer der Basisstabilisatoren Hafniumoxid, Ceroxid, Kalziumoxid und/oder Magnesiumoxid werden verwendet.
  • Diese keramische Zusammensetzung kann als Pulver hergestellt werden, so dass noch weitere Zusätze wie in der Verwendung von abrasiven Schichten kubisches Bornitrid oder andere abrasive Partikeln aufweisen.
  • In einem Schichtsystem (1) wird eine keramische Schicht 10 auf Metall aufgebracht, wobei dies bei vorzugsweise verwendetem Nickel oder kobaltbasierten Superlegierungen eine metallische Haftschicht 7 vorhanden ist, die Aluminiumoxid bildet, wobei die metallische Haftvermittlerschicht vorzugsweise ein Aluminid, Platinaluminid oder als Basis eine NiCoCrAl-Schicht darstellt.
  • Die keramische Schicht aus dem keramischen Material kann mittels EB-PVD, Plasmaspritzen (APS, ...) hergestellt werden und weist eine kolumnare Struktur auf oder eine DVC (Dense Verticle Cracked) Struktur auf.
  • Die Schicht 10 weist eine vorzugsweise Schichtdicke von 100um bis 1000pm auf.
  • Wie in der 2 gezeigt kann diese keramische Schicht 10 auch eine keramische Unterschicht 13 aufweisen, deren Schichtdicke jedoch mindestens 20% dünner ausgebildet ist als die des erfindungsgemäßen keramischen Materials der keramischen Schicht 10.
    Die keramische Unterschicht weist 8YSZ auf, also mit 3mol% bis 4mol% Yttrium-stabilisiertes Zirkonoxid.
  • Ausführungsbeispiele (fett = besonders bevorzugt):
    • ZrO2 + Y2O3 + CeO2
    • ZrO2 + Y2O3 + MgO
    • ZrO2 + Y2O3 + HfO2
    • ZrO2 + Y2O3 + CaO
    • ZrO2 + Y2O3 + CeO2+ MgO
    • ZrO2 + Y 203 + MgO + HfO2
    • ZrO2 + Y2O3 + HfO2 + CaO
    • ZrO2 + Y2O3 + CeO2+ HfO2
    • ZrO2 + Y2O3 + MgO + CaO
    • ZrO2 + Y2O3 + CeO2+ CaO
    • ZrO2 + Y2O3 + CaO + CeO2+ HfO2
    • ZrO2 + Y2O3 + HfO2 + MgO + CaO
    • ZrO2 + Y2O3 + CeO2+ MgO + CaO
    • ZrO2 + Y2O3 + CeO2+ MgO + HfO2
    • ZrO2 + Y2O3 + HfO2 + CaO + CeO2+ MgO
    • ZrO2 + Y2O3 + CeO2+ Yb2O3
    • ZrO2 + Y2O3 + MgO + Yb2O3
    • ZrO2 + Y2O3 + HfO2 + Yb2O3
    • ZrO2 + Y2O3 + CaO + Yb2O3
    • ZrO2 + Y2O3 + CeO2+ MgO + Yb2O3
    • ZrO2 + Y2O3 + MgO + HfO2 + Yb2O3
    • ZrO2 + Y2O3 + HfO2 + CaO + Yb2O3
    • ZrO2 + Y2O3 + CeO2+ HfO2 + Yb2O3
    • ZrO2 + Y2O3 + MgO + CaO + Yb2O3
    • ZrO2 + Y2O3 + CeO2+ CaO + Yb2O3
    • ZrO2 + Y2O3 + CaO + CeO2+ HfO2 + Yb2O3
    • ZrO2 + Y2O3 + HfO2 + MgO + CaO + Yb2O3
    • ZrO2 + Y2O3 + CeO2+ MgO + CaO + Yb2O3
    • ZrO2 + Y2O3 + CeO2+ MgO + HfO2 + Yb2O3
    • ZrO2 + Y2O3 + HfO2 + CaO + CeO2+ MgO + Yb2O3
    • ZrO2 + Y2O3 + CeO2+ Er2O3
    • ZrO2 + Y2O3 + MgO + Er2O3
    • ZrO2 + Y2O3 + HfO2 + Er2O3
    • ZrO2 + Y2O3 + CaO + Er2O3
    • ZrO2 + Y2O3 + CeO2+ MgO + Er2O3
    • ZrO2 + Y2O3 + MgO + HfO2 + Er2O3
    • ZrO2 + Y2O3 + HfO2 + CaO + Er2O3
    • ZrO2 + Y2O3 + CeO2+ HfO2 + Er2O3
    • ZrO2 + Y2O3 + MgO + CaO + Er2O3
    • ZrO2 + Y2O3 + CeO2+ CaO + Er2O3
    • ZrO2 + Y2O3 + CaO + CeO2+ HfO2 + Er2O3
    • ZrO2 + Y2O3 + HfO2 + MgO + CaO + Er2O3
    • ZrO2 + Y2O3 + CeO2+ MgO + CaO + Er2O3
    • ZrO2 + Y2O3 + CeO2+ MgO + HfO2 + Er2O3
    • ZrO2 + Y2O3 + HfO2 + CaO + CeO2+ MgO + Er2O3
    • ZrO2 + Y2O3 + CeO2+ Yb2O3 + Er2O3
    • ZrO2 + Y2O3 + MgO + Yb2O3 + Er2O3
    • ZrO2 + Y2O3 + HfO2 + Yb2O3 + Er2O3
    • ZrO2 + Y2O3 + CaO + Yb2O3 + Er2O3
    • ZrO2 + Y2O3 + CeO2+ MgO + Yb2O3 + Er2O3
    • ZrO2 + Y2O3 + MgO + HfO2 + Yb2O3 + Er2O3
    • ZrO2 + Y2O3 + HfO2 + CaO + Yb2O3 + Er2O3
    • ZrO2 + Y2O3 + CeO2+ HfO2 + Yb2O3 + Er2O3
    • ZrO2 + Y2O3 + MgO + CaO + Yb2O3 + Er2O3
    • ZrO2 + Y2O3 + CeO2+ CaO + Yb2O3 + Er2O3
    • ZrO2 + Y2O3 + CaO + CeO2+ HfO2 + Yb2O3 + Er2O3
    • ZrO2 + Y2O3 + HfO2 + MgO + CaO + Yb2O3 + Er2O3
    • ZrO2 + Y2O3 + CeO2+ MgO + CaO + Yb2O3 + Er2O3
    • ZrO2 + Y2O3 + CeO2+ MgO + HfO2 + Yb2O3 + Er2O3
    • ZrO2 + Y2O3 + HfO2 + CaO + CeO2+ MgO + Yb2O3 + Er2O3
  • Das keramische Material weist vorzugsweise 2,5 Gew.-% bis 5,5 Gew.-% Yttriumoxid (Y2O3) auf, insbesondere 3,0 Gew.-% bis 5,0 Gew.-% Yttriumoxid (Y2O3), ganz insbesondere 3,5 Gew.-% bis 4,0 Gew.-%.
  • Das keramische Material kann ebenso vorzugsweise 1,5 Gew.-% bis 3,0 Gew.-% Yttriumoxid (Y2O3) auf, insbesondere 2,0 Gew.-% bis 2,5 Gew.-% Yttriumoxid (Y2O3) aufweisen.
  • Das keramische Material weist vorzugsweise auf: Hafniumoxid (HfO2) mit 0,2 Gew.-% bis 4,0 Gew.-%, insbesondere 0,5 Gew.-% bis 4,0 Gew.-% Hafniumoxid (HfO2), ganz insbesondere 0,6 Gew.-% bis 4,0 Gew.-% Hafniumoxid (HfO2).
  • Das keramische Material weist vorzugsweise zur besseren, also geringeren thermischen Leitfähigkeit auf: Hafniumoxid (HfO2) mit 0,2 Gew.-% bis 2,0 Gew.-%, insbesondere mit 0,6 Gew.-% bis 2,0 Gew.-% Hafniumoxid (HfO2) ,
    ganz insbesondere mit 0,8 Gew.-% bis 2,0 Gew.-% Hafniumoxid (HfO2) .
  • Das keramische Material weist vorzugsweise zur besseren thermischen Stabilität auf: Hafniumoxid (HfO2) mit 2,0 Gew.-% bis 4,0 Gew.-%,
    insbesondere 2,4 Gew.-% bis 4,0 Gew.-% Hafniumoxid (HfO2), ganz insbesondere 4,0 Gew.-% bis 4,0 Gew.-% Hafniumoxid (HfO2) .
  • Das keramische Material weist vorzugsweise 5,5 Gew.-% bis 8,5 Gew.-% Ytterbiumoxid (Yb2O3) auf, insbesondere 6,0 Gew.-& bis 8,0 Gew.-% Yb2O3, ganz insbesondere 6,5 Gew.-% bis 7,5 Gew.-% Yb2O3.
  • Das keramische Material weist vorzugsweise 3,0 Gew.-% bis 4,5 Gew.-% Ytterbiumoxid (Yb2O3), insbesondere 3,5 Gew.-& bis 4,0 Gew.-% Ytterbiumoxid (Yb2O3) auf.
  • Ebenso vorzugsweise weist das keramische Material 2,0 Gew.-% bis 4,0 Gew.-% Er2O3 auf, insbesondere 2,5 Gew.-% bis 3,5 Gew.-% Er2O3.
  • Weiterhin vorzugsweise weist das keramische Material (6.0 - x) Gew.-% Y2O3 + (2-4) x Gew.-% Yb2O3/Er2O3 auf, d.h., bei 4,0 Gew.-% Y2O3 entspricht x=2 und der Anteil von Yb2O3/Er2O3 beträgt (2-4)*2, also zwischen 4 Gew.-% und 8 Gew.-%.

Claims (19)

  1. Keramisches Material auf der Basis von Zirkonoxid (ZrO2) mit 0,2 Gew.-% bis 8,0 Gew.-% Basisstabilisatoren:, insbesondere mit 0,2 Gew.-% bis 6,0 Gew.-% Basisstabilisatoren : Yttriumoxid (Y2O3), Hafniumoxid (HfO2), Ceroxid (CeO2), Kalziumoxid (CaO) und/oder Magnesiumoxid (MgO), wobei zumindest Yttriumoxid (Y2O3) verwendet wird, sowie optional zumindest einer der Zusatz-Stabilisatoren: 0,2 Gew.-% bis 20 Gew.-% Erbiumoxid (Er2O3) und/oder Ytterbiumoxid (Yb2O3) .
  2. Keramisches Material nach Anspruch 1, aufweisend mindestens 0,5Gew.-% und maximal 6,0 Gew.-% Yttriumoxid (Y2O3) .
  3. Keramisches Material nach Anspruch 1 oder 2, aufweisend 2,5 Gew.-% bis 5,5 Gew.-% Yttriumoxid (Y2O3), insbesondere 3,0 Gew.-% bis 5,0 Gew.-% Yttriumoxid (Y2O3), ganz insbesondere 3,5 Gew.-% bis 4,0 Gew.-% Yttriumoxid (Y2O3) .
  4. Keramisches Material nach Anspruch 1 oder 2, aufweisend 1,5 Gew.-% bis 3,0 Gew.-% Yttriumoxid (Y2O3), insbesondere 2,0 Gew.-% bis 2,5 Gew.-% Yttriumoxid (Y2O3).
  5. Keramisches Material nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2, 3 oder 4, das zumindest Yttriumoxid (Y2O3) und Hafniumoxid (HfO2) als Basisstabilisatoren aufweist, insbesondere nur Yttriumoxid (Y2O3) und Hafniumoxid (HfO2) als Basisstabilisatoren aufweist.
  6. Keramisches Material nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2, 3, 4 oder 5, bei dem der Gehalt an Hafniumoxid (HfO2) 0,2 Gew.-% bis 4,0 Gew.-% beträgt, insbesondere 0,6 Gew.-% bis 4,0 Gew.-% Hafniumoxid (HfO2), ganz insbesondere 0,8 Gew.-% bis 4,0 Gew.-% Hafniumoxid (HfO2) beträgt.
  7. Keramisches Material nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2, 3, 4, 5 oder 6, das zumindest einen der Zusatz-Stabilisatoren Erbiumoxid (Er2O3) und/oder Ytterbiumoxid (Yb2O3) aufweist.
  8. Keramisches Material nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2, 3, 4, 5, 6 oder 7, aufweisend, insbesondere bestehend aus ZrO2-HfO2-Y2O3-YrJ2O3.
  9. Keramisches Material nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2, 3, 4, 5, 6 oder 7, aufweisend, insbesondere bestehend aus ZrO2-HfO2-Y2O3-YrJ2O3-Er2O3.
  10. Keramisches Material nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 oder 9, aufweisend 5,5 Gew.-% bis 8,5 Gew.-% Ytterbiumoxid (Yb2O3), insbesondere 6,0 Gew.-& bis 8,0 Gew.-% Ytterbiumoxid (Yb2O3), ganz insbesondere 6,5 Gew.-% bis 7,5 Gew.-% Ytterbiumoxid (Yb2O3) .
  11. Keramisches Material nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 oder 9, aufweisend 3,0 Gew.-% bis 4,5 Gew.-% Ytterbiumoxid (Yb2O3), insbesondere 3,5 Gew.-& bis 4,0 Gew.-% Ytterbiumoxid (Yb2O3) .
  12. Keramisches Material nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 9 10 oder 11, aufweisend 2,0 Gew.-% bis 4,0 Gew.-% Erbiumoxid (Er2O3), insbesondere 2,5 Gew.-% bis 3,5 Gew.-% Erbiumoxid (Er2O3).
  13. Keramisches Material nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11 oder 12, aufweisend (8.0 - x) Gew.-% Y2O3 + (2-4) x Gew.-% Yb2O3/Er2O3, insbesondere (6.0 - x) Gew.-% Y2O3 + (2-4) x Gew.-% Yb2O3/Er2O3.
  14. Keramisches Material nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, bei dem der Gehalt an Hafniumoxid (HfO2) 0,2 Gew.-% bis 2,0 Gew.-% beträgt, insbesondere 0,6 Gew.-% bis 2,0 Gew.-% Hafniumoxid (HfO2), ganz insbesondere 0,8 Gew.-% bis 2,0 Gew.-% Hafniumoxid (HfO2) beträgt.
  15. Keramisches Material nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche 1 bis 13, bei dem der Gehalt an Hafniumoxid (HfO2) 2,0 Gew.-% bis 4,0 Gew.-% beträgt, insbesondere 2,4 Gew.-% bis 4,0 Gew.-% Hafniumoxid (HfO2), ganz insbesondere 3,0 Gew.-% bis 4,0 Gew.-% Hafniumoxid (HfO2) .
  16. Keramisches Pulver aufweisend, insbesondere bestehend aus, einer Zusammensetzung eines Materials gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 15.
  17. Schichtsystem (1) zumindest aufweisend ein metallisches Substrat (4), optional eine metallische Haftvermittlerschicht (7) und eine zumindest eine keramische Schicht (13, 10) auf der Basis des erfindungsgemäßen Materials gemäß Anspruch 1 bis 15 oder eines Pulvers gemäß Anspruch 16.
  18. Schichtsystem nach Anspruch 17, aufweisend eine metallische Haftvermittlerschicht (7) zwischen der keramischen Schicht (13, 10) und dem metallischen Substrat (4), insbesondere auf der Basis NiCoCrAlY.
  19. Schichtsystem nach einem oder beiden der Ansprüche 17 oder 18, bei dem eine keramische Unterschicht (13) unter der keramischen Schicht (10) aus einem Material gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14 oder 15, vorhanden ist, die mindestens 20% dünner ausgebildet ist und 8YSZ aufweist, also mit 3mol% bis 4mol% Yttrium-stabilisiertes Zirkonoxid.
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