DE19807359A1

DE19807359A1 - Wärmedämmschichtsystem mit integrierter Aluminiumoxidschicht

Info

Publication number: DE19807359A1
Application number: DE19807359A
Authority: DE
Inventors: Uwe Schulz; Christoph Leyens; Thomas Krell; Uwe Leushake
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 1998-02-21
Filing date: 1998-02-21
Publication date: 1999-08-26
Also published as: DE59914726D1; EP0937786A3; EP0937786B1; EP0937786A2

Description

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zum Beschichten von metallischen Substraten mit einem Wärmedämmschichtsystem und die so erhältlichen Bauteile.

Wärmedämmschichten (WDS) eignen sich zur Verringerung der thermischen Verluste von gekühlten Bauteilen wie z. B. innengekühlten Turbinenschaufeln und Brennkammerwänden in stationären und Flugturbinen. Gleichzeitig läßt sich durch den Einsatz von WDS der Wirkungsgrad beispielsweise von Turbinen erhöhen. Als besonders wirksam hat sich dabei das Verfahren der Elektronenstrahl-Aufdampfung (EP-PVD, engl. electron beam-physical vapour deposition) von Y₂O₃ -teilstabilisiertem Zirkonoxid (YPSZ) erwiesen. Aufgrund ihrer meist kolumnaren Ausbildung besitzen diese WDS eine gute Thermo schockbeständigkeit und die bei Keramiken normalerweise nicht auftretende Eigenschaft einer gewissen Dehnungstoleranz.

Ein komplettes Wärmedämmschichtsystem besteht in der Regel aus oxidations- und korrosionsbeständiger Zwischenschicht auf dem Bauteil, einer keramischen Wärmedämmschicht und einer sich im Laufe der Herstellung bzw. im Einsatz ausbildenden dünnen Metalloxidschicht (TGO) als Sauerstoffdiffusionsbarriere und Haftzone zwischen beiden. Dieses TGO (deutsch: thermisch gewachsenes Oxid) soll vorzugsweise aus α-Aluminiumoxid bestehen, da dieses eine sehr niedrige Sauerstoffdurchlässigkeit besitzt. Aluminiumoxid kann außer in der thermodyna misch stabilen α-Modifikation auch in einer Vielzahl von in der Regel metastabilen Übergangsmodifikationen mit geringerer Oxidationsschutzwirkung auftreten.

Der Ausfall eines solchen Schichtsystems erfolgt zumeist durch Abplatzen der Wärmedämmschicht im Interfacebereich zwischen Metall und Keramik, wobei eine Vielzahl von Ursachen für das Versagen verantwortlich sein kann. Neben der chemischen Zusammensetzung, dem Oxidations-, Korrosions- und Kriechverhalten der Zwischenschicht spielt auch die Bauteilgeometrie sowie die chemische Zusammensetzung des Substrats und dessen Ordnungsgrad (Einkristall, Polykri stall, gerichtet erstarrt) eine Rolle.

Dem Interface Zwischenschicht/Wärmedämmschicht und der Ausbildung des thermisch wachsenden Oxids kommt eine zentrale Bedeutung zu, da die Haftung von Elektronen-Strahl-Verdampften WDS hauptsächlich chemischer Natur ist. Diese Übergangsstelle Zwischenschich/Wärmedämmschicht ist im Einsatz bzw. in simulierenden thermozyklischen Tests die vorherrschende Ausfallstelle des Schicht systems. Neben thermomechanischen Spannungen ist das Wachstum des TGOs, das sich beispielsweise auf einer MCrAIY-Schicht bildendet, ein Hauptgrund für das Abplatzen der Keramik, da die Oxidation mit einer Volumenzunahme und somit auch mit einer Zunahme von Spannungen verbunden ist.

Die Lebensdauer der Wärmedämmschichten auf ihren Substraten wird durch das Auftreten von überkritischen Spannungen zwischen Metallsubstrat und Keramik schicht begrenzt. Alle Maßnahmen einer Lebensdauerverlängerrung müssen demzufolge immer daraufhin abzielen, diese Spannungen möglichst lange unterkritisch zu halten.

Die Herstellung kolumnarer Wärmedämmschichten mittels EB-PVD-Verfahren ist hinlänglich beschrieben und auch in der Patentliteratur dokumentiert (US-A 4.321 311 und EP 0 042 872 B1; US-A 5 262 245; US-A 4 676 994). Auch andern Ausbildungen der Wärmedämmschicht, z. B. keulenartig (noch unveröffentlichte DE 197 15 791 A), mit unterschiedlicher Ausbildung der Porosität (US-A 5 512 382), verdichteten Lagen zur Erhöhung der Erosionsbeständigkeit (US-A 5 350 599), gradierten Ausbildungen der Wärmedämmschicht (US-A 5 236 787), oder lagenartigem Aufbau unterschiedlicher Struktur (EP 0 705912 A2) sind bekannt.

Die Nachteile von herkömmlichen Duplex-Schichtsystemen (metallische Zwi schenschicht plus keramische WDS) sind in der Literatur ausführlich beschrieben worden. Als wichtigstes sind die hohen Oxidationsraten der metallischen Zwi schenschichten, die damit verbundenen Wachstumsspannungen im TGO an der Grenzfläche Metall/Metalloxid sowie die Haftungsprobleme von Wärmedämm schichten auf den thermisch gewachsenen Oxiden anzuführen (K. Fritscher et al.: Grenzschicht-Problematik und Haftung von EB-PVD Wärmedämmschicht systemen. Materialwissenschaft und Werkstofflechnik 28 (1997) S. 384-390). Negativ wirkt sich die Bildung von Spinell-Oxiden, Chromoxiden oder der Übergangsmodifikationen des Aluminiumoxids im TGO aus, die aufgrund kinetischer Aspekte an realen Schichtsystemen häufig beobachtet wurden (Schmücker, M. et al.: Haftmechanismen in ausgewählten EB-PVD-Wärmedämm schichtsystemen. Fortschrittsberichte der DKG, Werkstoffe, Verfahren, Anwen dung 10 (1995) 4; S. 379-384; Fritscher, K. et al: TEM Investigation on the adhesion of EB-PVD thermal barrier coatings. Materials Science Forum Vol. 251-254 (1997) 965-970. Diese und andere Faktoren begrenzen die Lebensdauer von Wärmedämmschichten auf Turbinenbauteilen, beispielsweise auf Turbinenlauf schaufeln.

Die Haftung der WDS auf den Zwischenschichten beruht hauptsächlich auf der chemischen Verbindung zwischen Al₂O₃ und ZrO₂ (Strangmann, T.E. et al.: Tailoring zirconia coatings for performance in a marine gas turbine environment. ASME J. Eng. Gas Turbines Power 112 (1990), S. 531-535), wobei geringe Löslichkeiten des Zr im Al₂O₃ des TGO oder des Al im ZrO₂ als hauptsächlicher Haftmechanismus angesehen werden (US-A 4 321 311 und EP 0 042 872 B1; Meier, S.M. et al.: The evolution of thermal barrier coatings in gas turbine engine applications. ASME paper 92-GT-203 (1992); EP 0 044 329 B1). Das TGO, welches bevorzugt Al₂O₃ sein soll, wird dabei stets durch selektive Oxidation der metallischen Zwischenschicht erzeugt.

Eine glatte Oberfläche mit thermisch gewachsenem Al₂O₃ als Untergrund für gedampfte Wärmedämmschichten verbessert deren Haftung entscheidend. MCrAlY- Zwischenschichten können beispielsweise vor der Oxidation poliert werden, was zu erheblich längeren Lebensdauern führt (EP 0 044 329 B1).

Eine chemisch aus der Dampfphase (CVD) abgeschiedene Sauerstoffdiffusions barriere aus Al₂O₃ von 2-9 µm auf einer NiCrAlY-Vakuum-Plasmaspritz-Zwischen schicht erbrachte deutlich geringere Oxidationsraten im Vergleich zu Zuständen ohne CVD-Layer. Die darüber aufgebrachte Wärmedämmschicht bestand aus einer nichtkolumnaren, durch Plasmaspritzen (PS) erzeugten 8 Gew.-% Y₂O₃ -ZrO₂ Wärmedämmschicht mit dem für PS typischen, sehr rauhen Interface Zwischen schicht/WDS. Eine Erhöhung der zyklischen Lebensdauer wurde nur bei Verwendung von höheren Abscheidetemperaturen (<1000°C) während des CVD-Prozesses erreicht, was auf unterschiedliche Morphologien der Aluminiumoxidschicht zurückge führt wurde. Bei 1100°C Testtemperatur (1 stündige Zyklen mit Abkühlung) wurde eine Zunahme der Lebensdauer von 35 auf 55 Zyklen durch die CVD-Al₂O₃-Schicht gefunden. Die optimale Dicke der CVD- Aluminiumoxidschicht wurde mit 3-7 µm angegeben, wobei mit zunehmender Dicke eine geringere Oxidationsrate ermittelt wurde. Eine Wärmebehandlung des Al₂O₃ nach dem CVD-Prozeß wurde nicht vorgenommen (Sun, J.H. et al.: The properties and performance of (ZrO₂-8 wt% Y₂O₃)/(chemically vapour-deposited Al₂O₃)/(Ni-22 wt% Cr-10 wt% Al-1 wt%) thermal barrier coatings. Surface and Coatings Technology 58 (1993) S. 93-99; Sun, J.H. et al.: The spalling modes and degradation of ZrO₂-8 wt% Y₂O₃/CVD-Al₂O₃/Ni-22Cr 10Al-1Y thermal barrier coatings. Oxidation of Metals 40 (1993), S. 465-81; Sun, J.H. et al.: Performance of CVD Al₂O₃ intermediate layer between zirconia top coat and NiCrAlY bond coat. Materials Trans., JIM, 34 (1993)7, S. 614-621).

Eine Diffusionssperrschicht für Sauerstoff aus Al₂O₃ auf plasmagespritztem MCrAlY kann die isotherme Oxidationsrate bei 1000°C und die Dicke des sich dabei bilden denden Oxids herabsenken. Dies wurde für Aluminiumoxidschichten gefunden, welche durch reaktives Sputtern von Aluminium oder durch GVD hergestellt wurden. Probleme bereitete bereits nach 250 Stunden bei 1000°C das Auftreten von Rissen im Aluminiumoxid bei gesputtertem Al₂O₃ bzw. bei GVD-Schichten die Glättung der MCrAlY-Oberfläche sowie stengelförmige Oxide direkt nach der Herstellung (Schmitt- Thomas, Kh.G. et al.: Diffusionssperrschichten aus Al₂O₃ zur Beeinflussung der Haftschichtoxidation von McrAlY-Legierungen. Werkstoffe und Korr. 43 (1992), S. 492-495). Ähnliches wurde für gesputterte CoGrAlYSchichten mit reaktiv gesputtertem Al₂O₃ in (Wang, F. et al.: The effect of reactively-sputtered alumina films on the oxidation resistance of CoCrAlY coatings. Journal de Physique IV, C9 3 (1993) S. 551-557) gefunden.

Gesputterte Aluminiumoxidschicht von 1,7 bis 4,9 µm Dicke als Diffusionsbarriere erwiesen sich auch mit darüber liegender, nichtkolumnarer plasmagespritzter Wärmedämmschicht hilfreich bei der Verminderung der Oxidation. Nachgewiesen wurde die Verminderung der Metalloxiddicke (TGO) durch die Al₂O₃-Diffusionsbarriere unter isothermer Oxidation bei 1000 bis 1150°C. Je dicker die Diffusionsbarriere war, um so stärker war die Reduktion der TGO-Dicke (Schmitt-Thomas, Kh. G. et al.: Thermal barrier coatings with improved oxidation resistance. Surface and Coatings Technology, 68/69 (1994), S. 113-115).

In der Patentliteratur existiert bereits die Beschreibung von GVD-Aluminiumoxid schichten auf einem MCrAlY-EB-PVD-Bondcoat mit darüber liegender kolumnarer EB-PVD Wärmedämmschicht (US-A 4 880 614 und US-A 5 015 502). Der Schwer punkt liegt dabei auf der hohen Reinheit und Porenfreiheit der Aluminiumoxidschicht. Mit einer solchen Schichtkombination wurde im Heißgasversuch bei 1150°C/27 min und Abkühlung auf Raumtemperatur in 3 min eine bis zu vierfach längere Zeit bis zum Abplatzen der Wärmedämmschicht im Vergleich zu Schichten ohne Al₂O₃ erreicht. Als mögliche Ursachen wurden die hohe Reinheit des CVD-Al₂O₃, die verringerte Oxidationsrate sowie eine höhere Interfacezähigkeit angeführt. Das Patent umfaßt auch die Verwendung von Diffusions-Alitierschichten als Zwischenschicht.

Die Aufgabe der Erfindung besteht in der gezielten und reproduzierbaren Herstellung einer α-Al₂O₃-Schicht auf der Zwischenschicht oder direkt auf einem Substrat geringer Oxidationsneigung (z. B. NiAl) mittels Elektronenstrahl-Aufdampt-Verfahren. Der Aufbringung von Aluminiumoxid ist bei Abscheidung mit niedrigen Substrat temperaturen eine Wärmebehandlung nachgeschaltet, welche für die Erzeugung der gewünschten α-Modifikation notwendig ist. Auf die α-Al₂O₃-Schicht wird mittels Elektronenstrahl-Aufdampfung die bekannte kolumnare oder auch anders ausge bildete (beispielsweise keulenartige) Wärmedämmschicht aufgebracht. Dieses neuartige Schichtsystem dient der Verlängerung der Lebensdauer von Bauteilen in hochtemperaturbelasteten Anwendungen, vornehmlich in einer Turbine.

In einer ersten Ausführungsform betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Beschichten von metallischen Substraten mit einer Metalloxidschicht aus Aluminium oxid und einer oxidischen Wärmedämmschicht, dadurch gekennzeichnet, daß man

a) das Substrat mit einer 1 bis 10 µm dicken α-Aluminiumoxidschicht durch physika lische Dampfphasen-Abscheidung (PVD) mit einer gegebenenfalls nachgeschalteten Wärmebehandlung und
b) die gemäß a) erhaltene α-Aluminiumoxidbeschichtung in an sich bekannter Weise mit einer Wärmedämmschicht einer Wärmeleitfähigkeit < 3 W/mK und einer Dicke von 10 bis 1000 µm versieht.

Weiterhin bevorzugte Ausführungsformen sind den nachgeordneten Ansprüchen zu entnehmen.

Der wesentliche Unterschied zur Bildung des TGO durch Metalloxidation mit all ihren thermodynamischen und kinetischen Unwägbarkeiten besteht also in der erfindungs gemäßen gezielten Herstellung der Oxidations- beziehungsweise Korrosionsbarriere.

Gegebenenfalls kann vor der Aufbringung der α-Al₂O₃-Schicht eine an sich bekannte Zwischenschicht aufgebracht werden. Als Zwischenschichten kommen entweder Diffusions-Schichten mit Aluminium als wesentlichem Bestandteil MAlYX- oder MCrAlYX-Schichten (M = Ni, Co, Fe oder Gemische, X = optionale Zusatzelemente wie z. B. Ta, Re, Hf, Si oder ähnliche) zur Anwendung. MCrAlYX-Schichten werden bevorzugt durch Plasma-Spritzen oder Elektronenstrahl-Aufdampfen, aber auch durch Spuffem, CVD oder andere PVD-Verfahren hergestellt. Eine weitere Möglichkeit besteht in der elektrochemischen Abscheidung.

Der Duplex-Schichtaufbau Zwischenschicht/Wärmedämmschicht ist der im Einsatz übliche Fall auf Turbinenschaufeln moderner Hochdruckturbinen.

Keine der angeführten Stellen zum Stand der Technik macht Aussagen zu einer Wärmebehandlung oder zur Phasenausbildung des Aluminiumoxids. Dies wird als entscheidender Nachteil des derzeitigen Standes der Technik gesehen, da nur die α-Modikation des Al₂O₃ die Vorzüge einer geringen Sauerstoffdurchlässigkeit und der Hochtemperaturstabilität bietet. Besonders schädlich ist die Phasenumwandlung der Übergangsoxide δ oder Θ in die stabile α-Form, da sie mit einer Volumenänderung und somit mit erheblichen Spannungen verbunden ist.

Kerngedanke der Erfindung ist somit die gezielte Herstellung von α-Aluminiumoxid schichten auf metallischen Substraten mit einer darüber liegenden EB-PVD-Wärme dämmschicht. Die Erfindung umfaßt insbesondere:

- einen metallischen Hochtemperaturwerkstoff als Substrat, vorzugsweise eine Ni- oder Co-Basis-Superlegierung in einkristalliner, polykristalliner oder gerichtet erstarrter Form;
- eine optional darauf aufbauende metallische Zwischenschicht, beispielsweise aus der Gruppe der MCrAlYX-Schichten (M = Ni, Co, Fe oder deren Gemische, X = optionale Zusatzelemente insbesondere Ta, Re, Hf, Si oder ähnliche) oder eine Diffusionsschicht im wesentlichen aus Aluminium oder seine Legierungen. Bei oxidationsbeständigen Substratlegierungen kann diese metallische Zwischen schicht entfallen;
- das Aufbringverfahren für die metallische Zwischenschicht ist erfindungsgemäß beliebig und nicht von besonderer Relevanz. Beispielsweise kommen Plasma spritzen (PS), Elektronenstrahl-Aufdampfen (EB-PVD), aber auch Sputtern, CVD oder andere PVD-Verfahren zur Anwendung;
- eine 1-10 µm dicke α-Aluminiumoxidschicht wird auf dem Substrat oder auf der metallischen Zwischenschicht abgeschieden;
- die Herstellung der α-Aluminiumoxid-Schicht erfolgt mittels PVD-Verfahren, bevorzugt mittels Magnetron-Sputtern oder EB-PVD. Bei beiden Verfahren ist die reaktive Arbeitsweise (Verdampfen oder Abstäuben metallischen Aluminiums und Reaktion mit Sauerstoff in der Gasphase zum Oxid) oder das direkte Verdampfen oder Abstäuben von Aluminiumoxidtargets und/oder -ingots möglich. Die direkte Verdampfung oder Abstäubung vom Aluminiumoxidmaterial ist sowohl mit als auch ohne Sauerstoffzugabe möglich;
- bei Abscheidung mit Substrattemperaturen größer als 900°C kann in situ α-Al₂O₃ abgeschieden werden;
- bei Abscheidung unterhalb 900°C kann sich eine Wärmebehandlung des aluminium oxidbeschichteten Bauteils im Temperaturbereich zwischen 950°C und 1250°C für mindestens 0,5 Stunden zur Erzeugung der b-Phase und zur Relaxation der Aluminiumoxidschichten anschließen. Bevorzugt wird für magnetron-gesputterte Schichten 4 h/1080°C und für EB-PVD Schichten 9 h /1100°C verwendet. Die Wärmebehandlung kann gegebenenfalls mit der üblichen Diffusionsglühung der Zwischenschichten kombiniert werden, wodurch eine Zunahme der Prozeßschritte vermieden wird;
- die Abscheidung einer 10-1000 µm dicken oxidischen Wärmedämmschicht mit einer Wärmeleitfähigkeit kleiner als 3 W/mK auf diese α-Al₂O₃-Schicht mittels EB-PVD. Dabei entsteht eine kolumnare oder anders ausgebildete, jedoch stets poröse wärmedämmende Schicht. Aus Erosions- oder Korrosionsgründen können noch weitere Deckschichten über der Wärmedämmschicht aufgebracht werden;
- als Material für die Wärmedämmschicht kommen bevorzugt ZrO₂-haltige Keramiken, gegebenenfalls stabilisiert mit Y₂O₃, CeO₂, MgO, Sc₂O₃ oder anderen seltenen Erdmetalloxiden, zur Anwendung. Mullit, Zirkonsilikat, HfO₂ oder hochporöses Al₂O₃ sind ebenfalls als WDS einsetzbar. Die chemische Zusammensetzung der Wärmedämmschicht ist nicht von besonderer Bedeutung für die vorliegende Erfindung.

Der Aufbau eines Wärmedämmschichtsystems, welches erfindungsgemäß ausgeführt ist, wird in Fig. 1 deutlich.

Die wesentlichen Vorteile eines erfindungsgemäß aufgebrachten Schichtsystems liegen in der deutlich erhöhten zyklischen Lebensdauer sowie in einer verbesserten Haftung der Wärmedämmschicht auf dem α-Al₂O₃.

Die Nachteile des Stands der Technik werden erfindungsgemäß überwunden, da die α-Modifikation des Al₂O₃, welche die Vorzüge einer geringen Sauerstoffdurch lässigkeit und der Hochtemperaturstabilität bietet, direkt erzeugt wird und somit die Phasenumwandlung von den Al-Übergangsoxiden δ oder Θ in die stabile α-Form noch ohne darüber liegende Wärmedämmschicht abläuft und somit Spannungen durch Volumenänderung vermieden werden. Weiterhin ist zu erwarten, daß die bei herkömmlichen Duplex-Schichtsystemen bekannten hohen Oxidationsraten der metallischen Zwischenschichten verringert werden, was die damit verbundenen Wachstumsspannungen im TGO beim Übergang Metall → Metalloxid herabsetzt. Die Anbindung der Wärmedämmschicht erfolgt direkt auf der optimalen Modifikation des α-Al₂O₃ und nicht beispielsweise auftretenden Spinell-Oxiden, Chromoxiden oder den genannten Übergangsmodifikationen des Aluminiumoxids, was eine verbesserte Haftung und somit eine erhöhte Lebensdauer bedeutet.

Eine weitere Ausführungsform der Erfindung betrifft die mit Hilfe des Verfahrens erhältlichen Bauteile, insbesondere innengekühlte Turbinenschaufeln oder Brenn kammerwände in stationären oder Flugturbinen.

Ausführungsbeispiele Beispiel 1 Aluminiumoxidverdampfung mittels EB-PVD und Erzeugung von α-Al₂O₃

In Tabelle 1 sind die verwendeten Prozeßparameter bei der EB-PVD-Verdampfung von Aluminiumoxid zur Herstellung dicker Schichten aus Al₂O₃ (<20 µm) dargestellt.

Tabelle 1

EB-PVD-Beschichtungsbedingungen für Aluminiumoxid

Run 1 wurde ohne Sauerstoffzugabe, Run 2 und 3 reaktiv mit Sauerstoffzugabe gefahren. Bei Run 3 wurde die Beschichtung in 3 Stufen mit zwischenzeitlicher Heizung des Substrates in der Vorheizkammer durchgeführt. Neben der Phasenaus bildung hängen Morphologie und Beschichtungsrate ebenfalls von den gewählten Parametern ab. U. Leushake, T. Krell, U. Schulz, M. Peters, W.A. Kaysser, B.H. Rabin: Microstructure and Phase Stability of EB-PVD alumina and alumina/zirconia forthermal barriercoating applications. Surface and Coatings Technology 94-95 (1997) 131-136.

Die Phasenausbildung im Zustand nach der Beschichtung sowie nach Wärmebehand lungen mit verschiedenen Zeiten und Temperaturen zeigt Tabelle 2. Die Phasen analyse mittels Röntgenbeugung erfolgte wegen der Textur der Schichten nur qualitativ.

Tabelle 2

Phasenzusammensetzung von EB-PVD Al₂O₃-Schichten vor und nach einer Wärmebehandlung

Man erkennt die in situ-Bildung von α-Aluminiumoxid bei hohen Substrattemperaturen von mehr als 900°C (Run 1 as coated). Bei Substrattemperaturen unterhalb 900°C treten entweder Gemische aus Θ und δ-Phase auf oder nur δ (Run 2 und 3). Noch niedrigere Substrattemperaturen zeigten wachsende Anteile von amorphem Al₂O₃.

Die Phasenumwandlung in die α-Phase war nach 9 Stunden bei 1000°C zu be obachten und ist bis auf geringe Restmengen der Ausgangsphasen nach 9 Stunden bei 1200°G abgeschlossen. Eine niedrigere Abscheidetemperatur verringert die notwendige Zeit bzw. Temperatur, die für die α-Bildung notwendig ist.

Für dünne gedampfte Aluminiumoxidschichten, abgeschieden bei Substrattemperatu ren unterhalb von 900°C, zeigt Fig. 2 die Phasenentwicklung vor und nach dem Glühen bei 1100°C. Die Einstellung der α-Phase infolge der Glühbehandlung wird klar erkennbar.

Beispiel 2 Aluminiumoxidherstellung durch Magnetron-Sputtern und Erzeugung von α-Al₂O₃

Dünne Aluminiumoxidschichten (4-5 µm) wurden durch reaktives Sputtern von einem Al₂O₃-Target erzeugt. Wie das Röntgenbeugungsbild in Fig. 3 verdeutlicht, sind diese Schichten nach der Herstellung röntgen-amorph. Bereits nach einer Glühung 4 h/1080°C ist ausschließlich α-Al₂O₃ vorhanden.

Beispiel 3 Komplettes erfindungsgemäß hergestelltes Schichtsystem, Lebensdaueruntersu chung

Auf Stäben einer Superlegierung (IN 100) wurden 100-150 µm dicke NiCoCrAlY Zwischenschichten mit dem EB-PVD-Verfahren aufgebracht, mittels Kugelstrahlen verdichtet und 4h/1080°C zur Diffusionsanbindung an die Zwischenschicht in einem Vakuumofen (p < 10^-4 mbar) geglüht.

Anschließend wurden 3 Proben mit einer Aluminiumoxidschicht von 6 um Dicke durch reaktive Al₂O₃-Verdampfung bei 720-800°C Substrattemperatur versehen. Die Proben wurden dann 9 h bei 1100°C im Vakuum zur α-Aluminiumoxidbildung und Relaxation geglüht. Anschließend erfolgte die Beschichtung mit einer 270 µm dicken kolumnaren PYSZ -Wärmedämmschicht durch EB-PVD. Vergleichsproben wurden ohne α-Aluminiumoxidschicht hergestellt.

In einem Thermowechselversuch wurde die Lebensdauer bis zum Abplatzen von Wärmedämmschichtbereichen größer als 5 mm in einer Dimension ermittelt. Der Zyklus bestand aus 50 min Heizphase bis auf 1100°C und 10 min Schnellabkühlung mit Preßluft bis nahe Raumtemperatur. Den Vergleich der Lebensdauern zeigt

Fig. 4.

Die Lebensdauer des erfindungsgemäß ausgeführten Schichtsystems liegt nahezu doppelt so hoch wie bei herkömmlichen Wärmedämmschichtsystemen.

Claims

1. Verfahren zum Beschichten von metallischen Substraten mit einer Metall oxidschicht aus Aluminiumoxid und einer oxidischen Wärmedämmschicht, dadurch gekennzeichnet, daß man

a) das Substrat mit einer 1 bis 10 µm dicken α-Aluminiumoxidschicht durch physikalische Dampfphasen-Abscheidung (PVD) mit einer gegebenenfalls nachgeschalteten Wärmebehandlung und
b) die gemäß a) erhaltene α-Aluminiumoxidbeschichtung in an sich bekannter Weise mit einer Wärmedämmschicht einer Wärmeleitfähigkeit < 3 W/mK und einer Dicke von 10 bis 1000 µm versieht.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man ein Substrat aus einer Ni- oder Co-Basis-Superlegierung in einkristalliner, polykristalliner oder gerichtet erstarrter Form einsetzt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die physikalische Dampfphasen-Abscheidung mittels Magnetron-Sputtern oder Elektronenstrahl- Verdampfung (EB-PVD) von metallischem Aluminium und Reaktion in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre oder von Aluminiumoxid-Targets und/oder -Ingots, ohne zusätzliche Sauerstoffzugabe realisiert wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die Abscheidung bei Substrattemperaturen bis 900°C und anschließend eine Wärmebehandlung des beschichteten Substrats im Temperaturbereich von 900°C bis 1250°C im Verlauf von wenigstens 0,5 Stunden durchführt.

5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß man bei der Herstellung von magnetron-gesputterten Schichten eine Wärmebehandlung im Verlauf von wenigstens 0,5 Stunden bei mindestens 900°C, vorzugsweise für 4 Stunden bei einer Temperatur von 1080°C durchführt.

6. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß man bei der Herstellung von EB-PVD-Schichten eine Wärmebehandlung im Verlauf von wenigstens 0,5 Stunden bei mindestens 900°C, vorzugsweise für 9 Stunden bei 1100°C durchführt.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die Abscheidung bei Substrattemperaturen oberhalb 900°C durchführt.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man eine oder mehrere metallische Zwischenschichten, insbesondere aus der Gruppe der MGrAlYX- oder MAlYX-Schichten,
wobei
M für Ni, Co, Fe oder deren Gemische und
X für gegebenenfalls vorhandene Zusatzelemente, insbesondere Ta, Re, Hf und/oder Si steht oder eine im wesentlichen aus Aluminium bestehende Diffusionsschicht auf das metallische Substrat in an sich bekannter Weise aufbringt, bevor man die α-Aluminiumoxidschicht herstellt.

9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die Wärmedämmschicht aus ZrO₂-haltigen Keramiken, gegebenenfalls stabilisiert mit Y₂O₃, CeO₂, MgO, Sc₂O₃ oder anderen Seltenerdmetalloxiden, Mullit, Zirkonsilikat, Hafniumoxid oder hochporösem Aluminiumoxid aufbaut.

10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die Wärmedämmschicht mit an sich bekannten Deckschichten gegen Erosion und/oder Korrosion versieht.

11. Bauteile erhältlich nach einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10 umfassend ein metallisches Substrat, eine α-Aluminiumoxidschicht und eine darauf befindliche Wärmedämmschicht.

12. Bauteile nach Anspruch 11 umfassend innengekühlte Turbinenschaufeln oder Brennkammerwände in stationären oder Flugturbinen.