DE19743904A1

DE19743904A1 - Wärmedämmschichten auf einkristallinen und polykristallinen Metallsubstraten mit einer verbesserten kristallographischen Beziehung zwischen Schicht und Substrat

Info

Publication number: DE19743904A1
Application number: DE19743904A
Authority: DE
Inventors: Uwe Schulz; Claus Kroeder; Joerg Brien; Hartmut Schurmann; Uwe Kaden; Klaus Dr Fritscher
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 1997-10-04
Filing date: 1997-10-04
Publication date: 1999-04-15
Anticipated expiration: 2017-10-05
Also published as: GB2329906A; GB9820613D0; DE19743904C2; FR2769324A1; US6127006A; FR2769324B1; GB2329906B

Description

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Beschichtung von einkristallinen oder polykristallinen Metallsubstraten mit einer keramischen Wärmedämmschicht aus Zirkonoxid durch Elektronenstrahl-Aufdampfung sowie ein Verfahren zur Beschichtung von Turbinenschaufeln aus Ni-Superlegierungen.

Um die thermischen Verluste in Turbinen und insbesondere in innengekühlten Turbinenschaufeln zu verringern und damit den Wirkungsgrad von Turbinen zu erhöhen, werden die Turbinenbauteile mit Wärmedämmschichten versehen. Als besonders wirksam hat sich dabei das Verfahren der Elektronenstrahl-Aufdamp fung von Y-teilstabilisiertem Zirkonoxid (YPSZ) erwiesen, das bei etwa 1000°C Substrattemperatur erfolgt.

Die Lebensdauer der Wärmedämmschichten auf ihren Substraten wird jedoch durch das Auftreten von überkritischen Spannungen zwischen Metallsubstrat und Keramikschicht begrenzt. Alle Maßnahmen einer Lebensdauerverlängerung müssen demzufolge immer daraufhin abzielen, diese Spannungen möglichst lange unterkritisch zu halten. Die Spannungen sind während des Einsatzes der Turbine nicht unbedingt am höchsten, weil die Aufbringung der Wärmedämm schichten bei vergleichbaren Temperaturen und dazu auch spannungsfrei erfolgt. Sie werden jedoch insbesondere durch die Oxidation der metallischen Haft schicht, die sich zwischen dem Metallsubstrat und der Keramikschicht befindet, im Laufe ihres Einsatzes größer. Beim Abschalten der Turbine kühlen nun die Wärmedämmschichten und die darunter befindlichen Metallsubstrate ( beispiels weise Turbinenschaufeln) unter thermischer Kontraktion ab. Die Kontraktion bei einer Temperaturerniedrigung von 1000°C auf Raumtemperatur liegt bei Ni-Legierungen bei 1.6%, bei Wärmedämmschichten aus YPSZ im Mittel bei nur 1,08%. Bekanntermaßen ist der Ausdehnungskoeffizient bei YPSZ anisotrop [H. Schubert: Anisotropic thermal expansion coefficient of Y₂O₃-stabilized tetragonal zirconia. J. Am. Ceram. Soc. 69(1986)3, S. 270-271]; er ist in der c-Achse größer als in der a-Achse.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung bestand darin, die Haftung von Y-teil stabilisiertem Zirkonoxid auf Metallsubstraten gegenüber dem Stand der Technik zu verbessern. Eigene Messungen an Schichten in beiläufiger <110<-Richtung sowie an isotropem Material zeigen im Vergleich die etwas höhere laterale Ausdehnung aufgedampfter Schichten. Diese kommt durch den Beitrag der in c-Achse orientierten YPSZ-Partien zustande. Diese Anisotropie gibt den aufge dampften Schichten wegen der leicht höheren Ausdehnung bereits einen Vorteil gegenüber isotropem Material beim Einsatz auf Nickellegierungen, die bekann termaßen eine noch stärkere Ausdehnung aufweisen. Die Ausrichtung einkristalli ner Ni-Legierungen spielt hier noch keine Rolle, da ihr Ausdehnungskoeffizient isotrop ist. Als noch gravierender als die Anisotropie der thermischen Ausdeh nung ist jedoch die Anisotropie des E-Moduls von Nickel und Zirkonoxid für die Ausbildung von Spannungen anzusehen. Es wurde gefunden, daß die Anisotro pie des E-Moduls von Substrat und YPSZ sowie die hieraus zu fordernde intel ligente Ausrichtung der kristallographischen Richtungen der beiden Partner zueinander die entscheidende Rolle spielt.

Die vorgenannte Aufgabe wird in einer ersten Ausführungsform gelöst durch ein Verfahren zur Beschichtung von einkristallinen oder polykristallinen Metallsub straten mit einer keramischen Wärmedämmschicht aus Zirkonoxid, durch Elektronenstrahl-Aufdampfung, das dadurch gekennzeichnet ist, daß man das Metallsubstrat während des Aufdampfens in Form einer Überlagerung zweier Rotationsbewegungen bewegt, die sich um horizontale Achsen drehen, jedoch im wesentlichen senkrecht zu einander stehen.

Im Falle einer länglich gestalteten Turbinenschaufel bedeutet dies beispielsweise eine simultane Rotation um die horizontalen Hauptachsen, das heißt um das größte und das kleinste Trägheitsmoment des Bauteils.

Nach dem Hooke'schen Gesetz zur Kalkulation elastischer Spannungen ist

σ= E.ε,

wobei
σ die Spannung,
E den E-Modul und
εdie elastische Verformung
darstellen. Ist somit für den konkreten Fall formuliert der E-Modul hoch, so wird bei einer um einen konstanten Betrag vorgenommenen elastischen Verschiebung die Spannung auch entsprechend hoch sein. Ist hier also im besonderen Fall der Materialpaarung einkristalline Ni-Superlegierung/Wärmedämmschicht der Unter schied der E-Moduli hoch, wird die Spannung zwischen beiden Partnern bei einer elastischen Dehnung oder einer Temperaturänderung entsprechend hoch aus fallen. Im technischen Realfall wird z. B. eine einkristalline Turbinenschaufel, die in der Regel in <100<-Richtung erstarrt worden ist, in gleicher Ausrichtung auch im Beschichtungsrezipienten rotierend rundum mit YPSZ-Keramik bedampft. Wie im Stand der Technik bekannt [D. V. Rigney, R. Viguie, D. J. Wortman, D. W. Skelly: PVD thermal barrier applications and process development for aircraft engines. NASA conference publication 3312(1995) S. 135-149], wachsen die Keramikkristalle texturiert in <100<-Richtung senkrecht zur Rotationsachse auf dem Substrat auf. Nach eigenen Untersuchungen, die obiges Ergebnis bestäti gen, wachsen die Kristalle bei rotierender Bedampfung zudem auch in lateraler Richtung stark anisotrop auf. Parallel zur Rotationsachse bildet sich nach Unter suchungen von U. Schulz [U. Schulz, H. Oettel, W. Bunk: Texture of EB-PVD Thermal Barrier Coatings Under Variable Deposition Conditions. Z. Metallkd. 87(1996)6, S. 488-492] eine <100<-Richtung aus. Das Bild dieser Textur, das von einer solchen Schicht erzeugt wird, vermittelt die Polfigur in Fig. 1. Die Pfeil richtung deutet die Richtung der Rotationsachse an. In gleicher Richtung er streckt sich die <100<-Richtung der Schichttextur.

Unter der Annahme, das Metallsubstrat sei eine Platte aus einkristalliner Ni-Superlegierung mit einer wie bei Turbinenschaufeln üblichen Ausrichtung in ihrer <100<-Wachstumsrichtung, die um diese Achse während der Beschichtung rotiert, und zudem sei als Plattenfläche die (010)-Fläche ausgewählt worden, so stellen sich folgende Kristallbeziehungen ein:

Für die Ebenen
(100)_Ni-Legierung || (100)_{Wärmedämmschicht}

Für die Richtungen
<100<_Ni-Legierung || <100<_{Wärmedämmschicht}
<110<_Ni-Legierung || <110<_{Wärmedämmschicht}.

Die E-Moduli sind bekanntermaßen stark anisotrop. Dies wird bei Bauteilen aus einkristallinen Ni-Superlegierungen bereits im Stand der Technik berücksichtigt. Bei Zirkonoxidkristallen ist die Anisotropie der E-Moduli zwar bekannt [R. P. Ingel, D. Lewis III: Elastic anisotropy in zirconia single crystals. J. Am. Ceram. Soc. 71(1988)4, S. 265-271], jedoch bisher nicht für die industrielle Fertigung genutzt oder berücksichtigt worden. Werden nunmehr Turbinenschaufeln aus einkristalli nen Ni-Superlegierungen im drehenden Modus mittels Befestigung an einer horizontalen Achse mit Zirkonoxid Elektronenstrahl-bedampft, so werden sich in den Hauptkristallorientierungen, die hier auftreten können, folgende E-Moduli, die an einkristallinem Kompaktmaterial ermittelt worden sind, gegenüberstehen:

Tabelle 1

Dadurch kommt es im ungünstigsten Fall zu einem Unterschied der E-Moduli um den Faktor 2,8, wie die folgende Tabelle 2 zeigt. Ein optimaler Faktor wäre 1. Dieser Fall ist physikalisch nicht realisierbar. Durch Drehen der Texturrichtung der Schicht um 45° gelingt es, den Faktor auf einen Wert von 1,5 zu verringern, wie aus Tabelle 2 hervorgeht.

Tabelle 2

Wird nun während der Aufdampfung die Probe nicht allein um ihre horizontale Rotationsachse gedreht, sondern erhält sie erfindungsgemäß eine zusätzliche Komponente der Bewegung während der Bedampfung derart, daß dabei eine zusätzliche Rotationsbewegung um eine horizontale Achse mit gleicher Winkel geschwindigkeit abläuft, die im wesentlichen im rechten Winkel zur ersteren steht, so entsteht eine resultierende Bewegungsrichtung, die zur ersteren um 45° versetzt ist.

In der Fig. 2 wird das Elektronenstrahl-Aufdampfen von Wärmedämmschichten mit verbesserter lateraler Textur mit Hilfe von überlagerten Bewegungsmustern dargestellt.

Das hier stäbchenförmige Substrat (1) wird bedingt durch die Rotation um die Schiebe- und Rotationswelle (3) und die Rotation um die Rotationsachse (2) mit dem aus der darunterliegenden Verdampfungsquelle austretenden Material bedampft.

Auf diese Weise ist folglich auch eine um 45° versetzte Texturrichtung der Zirkon oxidschicht auf Bauteilen abscheidbar. Diese Versetzung um 45° wurde erfin dungsgemäß mit den genannten Prämissen experimentell durchgeführt. In der Regel bedeutet diese Art des Beschichtungsmodus eine simultane Rotation um die beiden horizontalen Hauptachsen des Bauteils, die gleichzeitig in vielen Fällen das größte und das kleinste Trägheitsmoment darstellen.

Nun zeigte sich erfindungsgemäß, daß die sich überlagernden Bewegungs richtungen nicht unbedingt zu einer genau um 45° versetzten resultierenden Rotationsbewegung führen müssen, d. h. die Winkelgeschwindigkeiten der sich überlagernden Drehbewegungen müssen nicht exakt identisch sein, um eine Rotation der lateralen Schichttextur von der <100<- in die <010<-Richtungslage zu erzielen. So wurde in weiteren Experimenten das Verhältnis der Winkel geschwindigkeiten von Hauptachse und der dazu senkrecht wirkenden Drehbe wegung in einem Versuchsdurchgang um mehr als den Faktor 10 angehoben, wobei eine höhere Drehgeschwindigkeit der Hauptachse (= Schiebe- und Rota tionswelle (3)) von 12 Upm eingestellt worden war. In der Fig. 3 wird eine ent sprechende Polfigur dargestellt. Im Vergleich zur Fig. 1 tritt auch tatsächlich hier eine Rotation der Richtungslage um 45° ein. Die Breite der nunmehr erzielten Reflexe der Polfigur hat in diesem Falle zugenommen, was darauf hinweist, daß in diesem Falle die kristallographische Ausrichtung der einzelnen Kristalle zuein ander eine geringere Ordnung annimmt. Dementsprechend ist es in einer be sonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bevorzugt, die Winkel geschwindigkeit der beiden Rotationsbewegungen gleich oder verschieden einzustellen.

Zur Erzielung einer möglichst gleichförmigen Wärmedämmschicht wird es erfin dungsgemäß bevorzugt, das Verhältnis der Winkelgeschwindigkeiten der beiden Rotationsbewegungen zueinander während des Aufdampfens konstant zu halten.

Ein anderer prinzipiell gangbarer Weg zu einer günstigeren Materialkopplung in Hinblick auf eine Optimierung der Übereinstimmung der E-Moduli zwischen einkristalliner Nickellegierung und Elektronenstrahl-aufgedampfter Wärmedämm schicht wäre es, die einkristallinen Substrate anstelle in der (100)-Orientierung in (111)-Orientierung herzustellen. Dadurch würde die Kriechbeständigkeit der Substrate zwar in der Richtung der maximal im Betrieb auftretender Kriech spannungen nach allgemeiner Kenntnis verringert, jedoch in einem noch vertret bar geringem Maße. Der Vorteil dieser Ausrichtung wäre jedoch ein Doppelter: zum einen eine größere Steifigkeit der Turbinenschaufeln, die ja auch der Le bensdauer von Keramikschichten positiv entgegenkommt, zum anderen deren günstigere Ausrichtung zur Texturrichtung der Wärmedämmschicht gemäß <111<_Ni-Legierung || <100<_{Wärmedämmschicht}.

Diese Richtungskonvergenz geht sogar mit einem Unterschied der E-Moduli um den Faktor von nur 1,25 ein.

Eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung besteht darin, die etablierte Kristallzuchttechnik für Turbinenschaufeln in herkömmlicher Weise zu nutzen und diese einkristallin erstarrten Bauteile mit den erfindungsgemäß aufgebrachten Wärmedämmschichten, die eine <110<-Textur in Richtung der <100<-Hauptachse der Bauteile ausbilden, zu beschichten. Diese erfindungs gemäße Lösung ist kosten neutral, das heißt sie hat den Vorteil, daß bereits etablierte industrielle Beschichtungsvorrichtungen genutzt werden können, die die Beschichtung von Bauteilen gemäß der hier beschriebenen Technik gestatten, ohne daß zusätzliche apparative Änderungen vorgenommen werden müssen oder weitere Investitionen erforderlich sind.

Dabei wird der geringe E-Modul des Bauteils in <100<-Richtung, der sich be sonders stark bei Vibration und/oder infolge Längung unter Zugbeanspruchung auswirkt, durchaus akzeptiert. Die erfindungsgemäß veränderte keramische Schicht auf dem Bauteil kann aber auf Grund ihres geringeren E-Moduls in dieser Hauptrichtung die Gestaltänderungen besser ertragen, weil die Spannungen zwischen Bauteil und Keramikschicht nunmehr geringer sind.

Claims

1. Verfahren zur Beschichtung von einkristallinen oder polykristallinen Metallsubstraten mit einer keramischen Wärmedämmschicht aus Zirkonoxid, durch Elektronenstrahl-Aufdampfung, dadurch gekennzeichnet, daß man das Metallsub strat während des Aufdampfens in Form einer Überlagerung zweier Rotations bewegungen bewegt, die sich um horizontalen Achsen drehen, jedoch im wesentli chen senkrecht zu einander stehen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die Winkelgeschwindigkeit der beiden Rotationsbewegungen gleich oder verschieden einstellt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß man das Verhältnis der Winkelgeschwindigkeiten zu einander während des Aufdampfens konstant hält.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn zeichnet, daß man einkristalline Turbinenschaufeln aus Ni-Superlegierungen beschichtet.

5. Verfahren zum Beschichten von Turbinenschaufeln aus Ni-Superle gierungen mit einer <111<-Richtung als Hauptwachstumsrichtung mit einer keramischen Wärmedämmschicht aus Zirkonoxid durch Elektronenstrahl-Auf dampfung.