DE19801424A1

DE19801424A1 - Wärmedämmstoff für hohe Temperaturen

Info

Publication number: DE19801424A1
Application number: DE19801424A
Authority: DE
Inventors: Robert Vasen; Frank Tietz; Detlev Stoever
Original assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Priority date: 1998-01-16
Filing date: 1998-01-16
Publication date: 1999-07-29
Anticipated expiration: 2018-01-17
Also published as: DE19801424B4

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmedämmstoff für hohe Temperaturen, insbe sondere für Temperaturen über 1000°C.

Derartige Wärmedämmstoffe werden beispielsweise in den Gasturbinen von Flugtriebwerken und Wärmekraftwerken dazu verwendet, die heißen Teile, also insbesondere die Turbinenschaufeln und Brennkammern gegen die große ther mische Belastung durch die heißen Gase zu schützen. Die Wärmedämmschich ten sind während der Betriebsdauer der Turbine, die von einigen Stunden im Spitzenlastbetrieb bis zu einem Jahr im Grundlastbetrieb reichen kann, durch gehend sehr hohen Temperaturen ausgesetzt. Der Wirkungsgrad von Gasturbi nen hängt von der Turbineneintrittstemperatur des Verbrennungsgases ab, die derzeit bei knapp über 1000°C liegen. Höhere Gastemperaturen von 1300°C und mehr können zwar erzeugt werden, sind aber derzeit nicht nutzbar, da die bekannten Materialien, die für die heißen Teile verwendet werden, diese hohen Temperaturen nicht lange genug verkraften können. Derzeit werden die besten Ergebnisse mit Bauteilen erzielt, die gerichtet erstarrte oder noch besser ein kristalline Nickelbasis-Superlegierungen als Substrat aufweisen, auf das eine Wärmedämmschicht aufgebracht ist, die aus durch Zusatz von Yttriumoxid Y₂O₃ teilstabilisiertem Zirconiumdioxid ZrO₂ (abgekürzt mit YSZ) besteht.

Bei höheren Temperaturen von beispielsweise 1300°C und mehr erfolgt jedoch ein Nachsintern der YSZ-Schichten, wodurch sich eine Verschlechterung der thermomechanischen Eigenschaften ergibt, wie zum Beispiel eine Erhöhung der Temperaturleitfähigkeit sowie des Elastizitätsmoduls und eine Verringerung der quasiplastischen Eigenschaften durch die Versinterung des Rißnetzwerks.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Wärmedämmstoffe zur Ver fügung zu stellen, die den Einsatz bei höheren Temperaturen ermöglichen.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der Wärmedämmstoff im wesentlichen aus einem Zirconat oder einer Mischung von zwei oder mehr Zirconaten besteht, und daß sein Schmelzpunkt über 1800°C, bevorzugt über 2000°C liegt.

Es hat sich herausgestellt, daß der Schmelzpunkt des Wärmedämmstoffs ein Maß für seine Stabilität und sein Sinterverhalten ist. Im Hinblick auf die oben beschriebene Verschlechterung der thermomechanischen Eigenschaften sollte die Sinterneigung möglichst gering sein. Dies ist bei dem erfindungsgemäßen Wärmedämmstoff der Fall, da er sehr hohe, also über der bisherigen maximalen Gastemperatur von ungefähr 1000°C liegende Sintertemperaturen benötigt und selbst bei Temperaturen über 1300°C lange Haltezeiten zur Erlangung von Dichten über 90%TD (Abkürzung für Prozent der theoretischen Dichte) erfor dert. Die für die Wärmedämmung erforderliche geringe Temperaturleitfähigkeit des erfindungsgemäßen Zirconat-Wärmedämmstoffs ist im betrachteten Tem peraturbereich vergleichbar mit der des bekannten YSZ-Wärmedämmstoffs, die bei 5.10^-3 cm²/s liegt. Außerdem besitzt der erfindungsgemäße Wärmedämm stoff einen für keramische Werkstoffe hohen Ausdehnungskoeffizienten, so daß er besonders gut zur Beschichtung von metallischen Substraten geeignet ist. Zudem zeigen die für den Wärmedämmstoff verwendeten Zirconate eine gute thermische Stabilität und keine Phasenumwandlungen.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen be schrieben.

Vorzugsweise besteht der Wärmedämmstoff im wesentlichen aus Bariumzirco nat BaZrO₃ und/oder Lanthanzirconat La₂Zr₂O₇ und/oder Strontiumzirconat SrZrO₃. Die Vorteile dieser Zirconate liegen in ihrem extrem hohen Schmelz punkt, ihrer sehr geringen Sinterneigung und Temperaturleitfähigkeit, ihrem hohen thermischen Ausdehnungskoeffizienten und ihrer guten thermischen Stabilität. So weist Bariumzirconat einen Schmelzpunkt von 2690°C, eine Sin terdichte von 80%TD nach 10 Stunden Haltezeit bei 1600°C und von 97%TD nach 10 Stunden Haltezeit bei 1650°C, eine Temperaturleitfähigkeit von 7,5.10^-3 cm²/s bei 1200°C und einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 9,9.10^-6 K^-1 bei 1100 bis 1400°C auf. Lanthanzirconat weist einen Schmelzpunkt von 2300°C, eine Sinterdichte von 57%TD nach 10 Stunden Haltezeit bei 1600°C und von 66%TD nach 10 Stunden Haltezeit bei 1650°C, eine Temperaturleitfähigkeit von 4.10^-3 cm²/s bei 1200°C und einen thermi schen Ausdehnungskoeffizienten von 10.10^-6 K^-1 bei 1100 bis 1400°C auf. Beide Zirconate zeigen in der Hochtemperatur-Phasenanalyse bis 1400°C keine Phasenumwandlungen. Strontiumzirconat weist einen Schmelzpunkt von 2800°C, eine Temperaturleitfähigkeit von 7.10^-3 cm²/s bei 500°C und einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 11,4.10^-6 K^-1 bei 1100 bis 1400°C auf.

In Anpassung an die verschiedenen Betriebsparameter, wie Temperatur und chemische Zusammensetzung der Verbrennungsgase, thermische Wechselbean spruchung, Beschaffenheit der zu beschichtenden Substratoberfläche und der gleichen, kann der Wärmedämmstoff ausschließlich aus einem geeigneten Zir conat oder einer Mischung von zwei oder mehr Zirconaten bestehen, er kann aber auch neben dem oder den Zirconaten weitere geeignete Bestandteile auf weisen, wie zum Beispiel Dotierungsstoffe, die im Matrixwerkstoff unlöslich sind. Ein Beispiel für einen solchen Dotierungsstoff ist Aluminiumoxid Al₂O₃.

Der Wärmedämmstoff kann zur Beschichtung von hohen Temperaturen ausge setzten Bauteilen verwendet werden.

Ein Verfahren zur Herstellung von hohen Temperaturen ausgesetzten Bautei len besteht darin, daß auf ein die Grundform des Bauteils vorgebendes Substrat eine Wärmedämmschicht aus dem erfindungsgemäßen Wärmedämmstoff auf gebracht wird.

Die Beschichtung kann durch physikalisches Aufdampfen, das auch als PVD-Ver fahren (Abkürzung für physical vapour deposition) bezeichnet wird, und insbesondere durch physikalisches Elektronenstrahl-Aufdampfen (EB-PVD-Ver fahren, Abkürzung für electron beam physical vapour deposition) erfolgen. Die Beschichtung kann aber auch durch Plasmaspritzen, insbesondere atmo sphärisches Plasmaspritzen erfolgen.

Wenn das Substrat aus einer Nickelbasis-Superlegierung besteht, weist dieses Verfahren vorteilhafterweise die Schritte auf, daß auf das Substrat zunächst eine als Haftvermittler und Korrosionsschutz dienende Zwischenschicht, die im wesentlichen aus einer Legierung auf Basis von Kobalt oder Nickel mit Zusatz von Eisen und/oder Chrom und/oder Aluminium und/oder Yttrium und/oder Si lizium und/oder Titan und/oder Rhenium besteht, und daß darauf dann die Wärmedämmschicht aufgebracht wird. Das Aufbringen der Zwischenschicht kann durch Plasmaspritzen, insbesondere Vakuum-Plasmaspritzen erfolgen.

Im folgenden wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung näher beschrieben.

Fig. 1 zeigt in einem vergrößerten Ausschnitt schematisch den Schichtauf bau der ersten Schaufel einer Gasturbine.

Gemäß der Fig. 1 besteht die erste Turbinenschaufel 10 im Kern aus einem Substrat 12, das nach Bedarf geformt ist. Auf dem Substrat 12 befindet sich ei ne Zwischenschicht 14 mit einer Dicke von ungefähr 150 µm, und darauf wie derum eine Wärmedämmschicht 16 mit einer Dicke von ungefähr 300 µm.

Das Substrat 12 besteht aus einer einkristallinen Nickelbasis-Superlegierung, die auch bei hohen Temperaturen bis ungefähr 1000°C für die erforderliche mechanische Festigkeit der Schaufel 10 sorgt. Die Zwischenschicht 14 dient als Korrosionsschutz für das Substrat 12 gegen die sehr korrosiven Verbrennungs gase und besteht aus einer sogenannten MeCrAlY-Legierung, wobei Me für das Basismetall steht, das Nickel oder Kobalt sein kann. Die Zwischenschicht 14 wurde durch Vakuum-Plasmaspritzen auf das Substrat 12 aufgebracht, da hierdurch kein atmosphärischer Sauerstoff während der Beschichtung in die Zwischenschicht 14 eingebaut wird. Die Zwischenschicht 14 dient außerdem als Haftvermittler zwischen dem Substrat 12 und der Wärmedämmschicht 16. Die se Wärmedämmschicht 16 besteht aus Bariumzirconat und wurde durch physi kalisches Elektronenstrahl-Aufdampfen auf die Zwischenschicht 14 aufge bracht.

Eine derartige Turbinenschaufel 10 ist für Gastemperaturen von 1400°C geeig net, da die Wärmedämmschicht 16 für ein Temperaturgefälle mit zunehmen dem Abstand von der Oberfläche sorgt, so daß die Temperatur des Substrats 12 bei unter 1000°C liegt.

Claims

1. Wärmedämmstoff, insbesondere für Temperaturen über 1000°C, dadurch gekennzeichnet, daß er im wesentlichen aus einem Zirconat oder einer Mi schung von zwei oder mehr Zirconaten besteht, und daß sein Schmelzpunkt über 1800°C liegt.

2. Wärmedämmstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er im wesentlichen aus Bariumzirconat (BaZrO₃) und/oder Lanthanzirconat (La₂Zr₂O₇) und/oder Strontiumzirconat (SrZrO₃) besteht.

3. Wärmedämmstoff nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß er wenigstens einen in seiner Matrix unlöslich Dotierungsstoff aufweist.

4. Wärmedämmstoff nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß er mit Aluminiumoxid (Al₂O₃) dotiert ist.

5. Verwendung des Wärmedämmstoffs nach einem der vorhergehenden An sprüche zur Beschichtung von hohen Temperaturen ausgesetzten Bauteilen.

6. Verfahren zur Herstellung von hohen Temperaturen ausgesetzten Bau teilen (10), dadurch gekennzeichnet, daß auf ein die Grundform des Bauteils vorgebendes Substrat (12) eine Wärmedämmschicht (16) aus einem Wärme dämmstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche aufgebracht wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschich tung durch physikalisches Aufdampfen (PVD-Verfahren) erfolgt.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschich tung durch physikalisches Elektronenstrahl-Aufdampfen (EB-PVD-Verfahren) erfolgt.

9. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschich tung durch Plasmaspritzen erfolgt.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschich tung durch atmosphärisches Plasmaspritzen erfolgt.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (12) aus einer Nickelbasis-Superlegierung besteht, und daß auf das Substrat (12) zunächst eine als Haftvermittler und Korrosionsschutz dienende Zwischenschicht (14), die im wesentlichen aus einer Legierung auf Basis von Kobalt oder Nickel mit Zusatz von Eisen und/oder Chrom und/oder Aluminium und/oder Yttrium und/oder Silizium und/oder Titan und/oder Rhe nium besteht, und darauf dann die Wärmedämmschicht (16) aufgebracht wird.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Auf bringen der Zwischenschicht (14) durch Plasmaspritzen erfolgt.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Be schichtung durch Vakuum-Plasmaspritzen erfolgt.