DE60021178T2

DE60021178T2 - Abrasions- und hochtemperaturbeständige, abschleifbare wärmedämmende verbundbeschichtung

Info

Publication number: DE60021178T2
Application number: DE60021178T
Authority: DE
Inventors: B. Gary MERRILL; A. Jay MORRISON
Original assignee: Siemens Westinghouse Power Corp
Current assignee: Siemens Energy Inc
Priority date: 1999-03-03
Filing date: 2000-02-28
Publication date: 2006-03-30
Anticipated expiration: 2020-02-29
Also published as: JP2002538302A; US6235370B1; EP1165941A1; DE60021178D1; KR20010102448A; WO2000052307A1; EP1165941B1; AU3383800A

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft hochtemperatur- und abrasionsbeständige, abschleifbare Verbundbeschichtungen, und sie betrifft insbesondere die Verwendung solcher Beschichtungen als Wärmedämmung bei Anwendungen wie Verbrennungsturbinen-Ringdichtungssegmenten, Schaufelsegmentabdeckungen, Übergängen und Brennräumen.
HINTERGRUNDINFORMATIONEN
Metallische Komponenten von Verbrennungsturbinen werden bei extrem hohen Temperaturen betrieben und erfordern oftmals den Einsatz von wärmedämmenden Beschichtungen (TBC, Thermal Barrier Coating). Üblicherweise umfassen TBCs eine dünne Zirkonoxidschicht. Bei vielen Anwendungen müssen die Beschichtungen abrasionsbeständig und zudem abschleifbar sein. Beispielsweise müssen Turbinenringdichtungssegmente, deren Abstand zu den Spitzen der Turbinenschaufeln engen Toleranzen unterliegt, abrasionsbeständig und vorzugsweise verschleiß- oder abschleifbar sein, um Schäden an den Turbinenschaufeln zu vermindern.
Um eine ausreichende Haftung zum darunter liegenden Metallsubstrat zu gewährleisten, sind herkömmliche TBCs als relativ dünne Schichten von z. B. weniger als 0,5 mm ausgebildet. Diese Dicke ist durch die unterschiedlichen thermischen Ausdehnungen von Beschichtung und metallischem Substrat begrenzt. Derartig dünne Schichten begrenzen jedoch die Wärmeleitungseigenschaften der Beschichtungen und bieten keine optimale Abrasionsbeständigkeit und keine optimalen Abschleifeigenschaften.
Ein Beispiel für eine wärmedämmende Beschichtung wird in der britischen Patentanmeldung 2.130.244A als aus einem Verbundmaterial von vorzugsweise hohlen Oxidpartikeln mit geringer Wärmeleitfähigkeit in einem Binder bestehend beschrieben, die verdichtet und durch isostatisches Heißpressen der Pulver mit der Oberfläche einer Komponente verbunden werden. Die Beschreibung erwähnt auch die Verwendung einer metallischen Zwischenschicht einer Legierung vom Typ MCrAlY.
In der US-Patentschrift 4.405.284 wird eine wärmedämmende Beschichtung beschrieben, die eine mehrschichtige Wärmeisolierzwischenlage aufweist, die eine metallische Haftschicht in direktem Kontakt mit der Turbinengehäusewand umfasst, eine mit der Haftschicht verbundene keramische Wärmeisolierschicht und vorzugsweise eine abschleifbare Beschichtung in Form einer porösen, vorwiegend metallischen oberen Schicht, die mit der keramischen Schicht verbunden ist. In der Bezugsschrift wird erwähnt, dass eine metallische Wabenstruktur verwendet werden kann, um die Wärmedämmung auf der Turbinengehäusewand aufzubringen, wobei in diesem Fall die Haftschicht, die Keramikschicht und die obere Schicht in die Zellen der Wabenstruktur eingebracht werden. In der Bezugsschrift wird angegeben, dass die Haftschicht und die Keramikschicht die Zellen der Wabenstruktur teilweise oder vollständig ausfüllen können.
Ein anderes Beispiel einer abschleifbaren wärmedämmenden Beschichtung wird in der US-Patentschrift 4.867.639 beschrieben. Das Patent beschreibt eine abschleifbare Beschichtung, bei der ein polierfähiges Keramikmaterial verwendet wird, das eine relativ niedrige Schmelztemperatur hat. Anstatt durch Hartlöten eine vorgefertigte Wabenstruktur auf eine Abdeckung aufzubringen, wird in dem Patent eine faserige, metallische, filzartige Struktur oder eine keramische Matrix verwendet, die auf der Abdeckung aufgebracht wird, wobei deren Poren mit der weichkeramischen Phase imprägniert werden. Wenn die Turbine läuft, hat die Wärmeausdehnung zur Folge, dass die Schaufeln die Weichkeramik berühren und nach und nach deformieren. Die Weichkeramik ist so ausgelegt, dass sie geschmolzen wird, wenn die rotierenden Schaufeln an der Abdeckung reiben, und die abgeriebenen Oberflächen nach dem Wiedererstarren einen verbesserten Grad an Glattheit aufweisen. In der Referenzschrift wird alternativ beschrieben, dass die Weichkeramikphase verwendet werden kann, um die wabenstrukturierte Beschichtung einer Abdeckung zu füllen oder zu imprägnieren, die aus der bei höherer Temperatur schmelzenden Hartkeramik oder einer Metalllegierung besteht, so dass die Weichkeramik nicht durch die heißen Gase erodiert wird, die durch die Turbine strömen.
Die vorliegende Erfindung wurde mit Blick auf das vorstehend Beschriebene entwickelt, um die Vorteile einer wärmedämmenden Beschichtung noch weiter zu erhöhen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Gemäß der Erfindung wird eine abschleifbare, wärmedämmende Verbundbeschichtung bereitgestellt, die Folgendes umfasst: ein Metallsubstrat; eine Metallträgerstruktur, die auf dem Substrat fest aufgebrachte offene Zellen umfasst; und zumindest teilweise innerhalb der Zellen der Metallträgerstruktur ein keramisches Füllmaterial, das hohle keramische Partikel umfasst, die dadurch gekennzeichnet sind, dass sie eine mittlere Größe von etwa 0,2 mm bis etwa 1,5 mm in einer Keramikmatrix aufweisen.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung stellen ein bei hohen Temperaturen einsetzbares, thermisch isolierendes und/oder abschleifbares Verbundbeschichtungssystem bereit, das für Gasturbinenkomponenten wie z. B. Ringdichtungssegmenten und dergleichen verwendet werden kann. Das bevorzugte Verbundmaterial umfasst eine metallische Grundschicht oder ein Substrat, eine metallische Wabenstruktur und ein Keramikfüllmaterial. Das Keramikfüllmaterial umfasst hohle keramische Kugeln in einer Phosphatmatrix, um eine Beständigkeit gegen hohe Temperaturen und eine ausgezeichnete thermische Isolierung bereitzustellen. Das derart aufgebaute System ist nachgiebig und für unterschiedliche thermische Beanspruchungen zwischen der Keramik und dem metallischen Substratmaterial geeignet. Der Waben-/Keramik-Verbund kann wahlweise mit einer Keramikschicht überzogen werden, um die metallische Wabenstruktur zu schützen und zu isolieren.
Neben den verbesserten thermischen Eigenschaften kann das vorliegende Verbundmaterial bei entsprechenden Ausführungsarten auch ausgezeichnete Abschleifeigenschaften aufweisen. Die Wabenstruktur sorgt für eine gute Haftung zwischen dem Keramikmaterial und dem darunter liegenden Metallsubstrat bzw. der Metallkomponente. Durch das Einbringen von Keramikmaterial in die Zellen der Wabenstruktur während der Verarbeitung sorgt die Wabenstruktur für eine zusätzliche mechanische Verankerung, um die Haftung zwischen Keramik und Metall zu verbessern. Durch das Verbundmaterial ist es möglich, relativ dicke Isolierschichten, z. B. in der Größenordnung von 2 mm oder mehr, zu verwenden, um für die Metallteile des Turbinenbereichs mit den heißen Gasen einen Schutz gegen sehr hohe Temperaturen zu bieten.
Das Materialsystem weist neben der ausreichenden Abschleifbarkeit auch eine ausgezeichnete Abrasionsbeständigkeit auf. Zum Beispiel sollte die Keramik auf einem Ringdichtungssegment vorzugsweise für Abrieb an der metallischen Schaufel sorgen, wenn Ringdichtungssegment/Schaufelspitze aneinander reiben. Diese Eigenschaft sorgt dafür, dass der freie Abstand der Schaufelspitzen begrenzt und die Maschinenleistung verbessert werden, ohne dass an den Schaufelspitzen Schäden auftreten, die von herkömmlichen TBC-Beschichtungen in ähnlichen Situationen verursacht werden.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung stellen ein haltbareres, kostengünstiges, wärmedämmendes Beschichtungssystem für die Verwendung bei Ringdichtungssegmenten, Übergängen, Brennräumen, Flügelplattformen und dergleichen bereit. Die Beschichtung kann im Vergleich zu herkömmlichen TBCs dicker aufgebracht werden, wodurch ein verbesserter Temperaturschutz für die Substratmetallkomponenten geboten wird. Durch die Verwendung der metallischen Wabenstruktur für die Haftung der keramischen Beschichtung auf den metallischen Substraten wird eine bessere Nachgiebigkeit zwischen dem Basismetall und der Keramik erzielt, wodurch lokale Beanspruchungen minimiert und die Lebensdauer der Komponenten vergrößert werden. Da das Beschichtungssystem in einfachen Schritten wie z. B. Hartlöten, Hinterfüllen und Wärmebehandeln anwendbar ist, kann die Herstellung des Systems viel kostengünstiger erfolgen als die physikalische Dampfabscheidung mittels Elektronenstrahlen bei herkömmlichen TBC-Beschichtungen auf Zirkonoxidbasis und vergleichbar sein mit Beschichtungen, die mit Luftplasma aufgesprüht werden.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung einer abschleifbaren, wärmedämmenden Verbundbeschichtung bereitgestellt, das Folgendes umfasst: Aufbringen einer Metallträgerstruktur mit offenen Zellen auf einem Metallsubstrat; zumindest teilweises Füllen der Zellen der Metallträgerstruktur mit einem fließfähigen keramischen Füllmaterial, das hohle keramische Partikel umfasst; Erhitzen des fließfähigen Keramikfüllmaterials zur Bildung einer Keramikmatrix, die die hohlen keramischen Partikel und ein Bindermaterial verbindet; und dadurch gekennzeichnet, dass die hohlen keramischen Partikel eine durchschnittliche Größe von etwa 0,2 mm bis etwa 1,5 mm aufweisen.
Diese und andere Aspekte der vorliegenden Erfindung werden in der folgenden Beschreibung verdeutlicht.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische Teilansicht von oben von einer wärmedämmenden Verbundbeschichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
2 ist eine schematische seitliche Teilansicht einer wärmedämmenden Verbundbeschichtung im Schnitt gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
3 ist eine schematische seitliche Teilansicht einer wärmedämmenden Verbundbeschichtung im Schnitt gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
4 ist eine schematische seitliche Teilansicht einer wärmedämmenden Verbundbeschichtung im Schnitt gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
5 ist ein Diagramm, das die Wärmeübertragungseigenschaften eines wärmedämmenden Verbundbeschichtungsmaterials der vorliegenden Erfindung im Vergleich mit herkömmlichen wärmedämmenden Beschichtungsmaterialien zeigt.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
1 ist eine schematische Teilansicht von oben von einer wärmedämmenden Verbundbeschichtung der vorliegenden Erfindung. Die wärmedämmende Verbundbeschichtung enthält eine Metallträgerstruktur 2 in Form einer Wabenstruktur mit offenen Zellen. Die Zellen der Wabenstruktur 2 sind mit einem keramischen Füllmaterial gefüllt, das eine Keramikmatrix 4 mit darin enthaltenen hohlen keramischen Partikeln 6 beinhaltet. Obwohl die Trägerstruktur 2 in 1 als Wabenstruktur gezeigt ist, können gemäß der vorliegenden Erfindung jedoch auch andere Geometrien, die offene Zellen umfassen, Anwendung finden.
Die Zellen der Wabenstruktur 2 haben vorzugsweise eine Breite von etwa 1 mm bis etwa 7 mm. Die Wanddicke der Wabenstruktur 2 liegt vorzugsweise zwischen etwa 0,1 mm bis etwa 0,5 mm. Die Wabenstruktur 2 umfasst vorzugsweise mindestens ein Metall, beispielsweise eine durch eine Oxiddispersion auf Eisenbasis verstärkte Legierung (ODS) wie z. B. PM2000 oder eine für hohe Temperaturen geeignete Nickel-Superlegierung wie z. B. Nimonic 115 oder Inconel 706. PM2000 umfasst etwa 20 Gewichtsprozent Cr, 5,5 Gewichtsprozent Al, 0,5 Gewichtsprozent Ti, 0,5 Gewichtsprozent Y₂O₃ und der verbleibende Anteil ist Fe. Nimonic 115 umfasst etwa 15 Gewichtsprozent Cr, 15 Gewichtsprozent Co, 5 Gewichtsprozent Al, 4 Gewichtsprozent Mo, 4 Gewichtsprozent Ti, 1 Gewichtsprozent Fe, 0,2 Gewichtsprozent C, 0,04 Gewichtsprozent Zr und der verbleibende Anteil ist Ni. Inconel 706 umfasst etwa 37,5 Gewichtsprozent Fe, 16 Gewichtsprozent Cr, 2,9 Gewichtsprozent Co, 1,75 Gewichtsprozent Ti, 0,2 Gewichtsprozent Al, 0,03 Gewichtsprozent C und der verbleibende Anteil ist Ni.
Die Wände der Wabenstruktur 2 enthalten vorzugsweise eine Oxidoberflächenbeschichtung mit einer Dicke von etwa 0,005 μm bis etwa 5 μm. Die Oxidoberflächenbeschichtung kann je nach Zusammensetzung des Wabenstrukturmaterials Metalloxide wie z. B. Aluminiumoxid, Titanoxid, Yttriumoxid oder andere stabile Oxide umfassen.
Die Keramikmatrix 4 des Keramikfüllmaterials umfasst vorzugsweise mindestens ein Phosphat wie z. B. Monoaluminiumphosphat, Yttriumphosphat, Lanthanphosphat, Borphosphat und andere feuerfeste Phosphate oder phosphatfreie Binder oder dergleichen. Die Keramikmatrix 4 kann auch ein keramisches Füllpulver wie z. B. Mullit, Aluminiumoxid, Ceroxid, Zirkonoxid und dergleichen enthalten. Die Partikel des optionalen Keramikfüllpulvers haben vorzugsweise eine mittlere Größe von etwa 1 μm bis etwa 100 μm.
Wie in 1 gezeigt wird, sind die hohlen Keramikpartikel 6 vorzugsweise kugelförmig und umfassen Zirkonoxid, Aluminiumoxid, Mullit, Ceroxid-YAG oder dergleichen. Die hohlen Keramikkugeln 6 haben vorzugsweise eine mittlere Größe von etwa 0,2 mm bis etwa 1,5 mm.
2 ist eine schematische seitliche Teilansicht einer wärmedämmenden Verbundbeschichtung im Schnitt gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Wabenträgerstruktur 2, die Keramikmatrix 4 und die hohlen Keramikpartikel 6 sind auf einem Metallsubstrat 8 fest aufgebracht, das eine Legierung wie z. B. eine auf Nickel basierende Superlegierung, eine auf Kobalt basierende Superlegierung, eine auf Eisen basierende Superlegierung, ODS-Legierungen oder intermetallische Werkstoffe umfasst. Ein Hartlotmaterial 10 wird vorzugsweise zum Aufbringen der Verbundbeschichtung auf dem Substrat 8 verwendet. Das Hartlotmaterial 10 kann ein Material wie z. B. AMS 4738 oder MBF100 oder dergleichen umfassen. Obwohl in der Ausführungsform von 2 ein Hartlot 10 zum Aufbringen der wärmedämmenden Verbundschicht auf das Substrat 8 verwendet wird, können beliebige andere geeignete Mittel zum Aufbringen der Beschichtung auf das Substrat verwendet werden. Bei einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Metallsubstrat 8 eine Komponente einer Verbrennungsturbine wie z. B, ein Ringdichtungssegment oder dergleichen.
Bei vielen Anwendungen beträgt die Dicke T der wärmedämmenden Verbundbeschichtung einschließlich der Metallträgerstruktur und des Keramikfüllmaterials vorzugsweise etwa 1 mm bis etwa 6 mm, noch stärker bevorzugt etwa 2 mm bis etwa 4 mm. Allerdings kann die Dicke in Abhängigkeit von den spezifischen Wärmeübertragungsbedingungen der jeweiligen Anwendung variiert werden.
In der in 2 gezeigten Ausführungsform werden die Zellen der Wabenstruktur 2 im Wesentlichen von dem Keramikfüllmaterial 4, 6 ausgefüllt. Bei einer alternativen, in 3 gezeigten Ausführungsform ist eine zusätzliche Menge des Keramikfüllmaterials als eine die Wabenstruktur 2 bedeckende Deckschicht 12 vorgesehen. Bei der in 3 gezeigten Ausführungsform weist die Deckschicht 12 im Wesentlichen die gleiche Zusammensetzung wie das Keramikfüllmaterial 4, 6 auf, das die Zellen der Wabenstruktur 2 füllt. Alternativ kann die Deckschicht 12 in einer anderen Zusammensetzung bereitgestellt werden. Die Dicke der Deckschicht 12 beträgt vorzugsweise etwa 0,5 mm bis etwa 2 mm und ist im Allgemeinen zur Dicke der darunter liegenden Wabenstruktur proportional.
4 veranschaulicht eine andere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der eine Zwischenschicht 14 zwischen dem Substrat 8 und dem Keramikfüllmaterial 4, 6 bereitgestellt wird. Bei dieser Ausführungsform kann die Zwischenschicht 14 ein lückenhaftes Füllmaterial oder eines mit geringer Dichte wie z. B. ein faseriges Isoliermaterial oder dergleichen umfassen. Die Zwischenschicht stellt für das Substratmaterial eine zusätzliche Wärmeisolierung bereit und kann zudem zu einer besseren Nachgiebigkeit der Beschichtung beitragen. Die Dicke der Zwischenschicht 14 reicht vorzugsweise von etwa 0,5 mm bis etwa 1,5 mm.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist die wärmedämmende Verbundbeschichtung in der Lage, ähnlich wie herkömmliche dünne wärmedämmende APS-Beschichtungen heißen Strömen zu widerstehen (1 bis 2 × 10⁶ W/m²). Ihr Vorteil liegt allerdings in der Fähigkeit, diese heißen Ströme über eine größere Dicke bei entsprechenden Eigenschaften in Bezug auf herkömmliche TBCs um Größenordnungen zu verringern. Die Anforderungen an die Kühlung werden entsprechend verringert, wodurch der thermodynamische Wirkungsgrad der Maschine verbessert wird.
Die wärmedämmende Verbundschicht weist vorzugsweise Partikelabrasionsbeständigkeit auf, die gleich oder besser als diejenige von herkömmlichen TBCs beim thermischen Sprühen ist. Die für eine Grundversion des vorliegenden Systems gemessene Abrasionsrate wird nachfolgend mit herkömmlichen TBCs und herkömmlichen abschleifbaren Beschichtungen verglichen, die durch thermisches Sprühen aufgebracht werden.
Tabelle 1 Abrasionsraten im eingeschwungenen Zustand für hinterfüllte, wärmedämmende Wabenstrukturbeschichtungen
Die vorliegende Erfindung ist auch als abschleifbare Beschichtung für die Versiegelung von Turbinenschaufelspitzen und andere Hochtemperatur-Versiegelungsanwendungen nützlich. Die Messwerte für die Abschleifbarkeit bei der Grundversion sind nachstehend auf der Grundlage des Volumenverschleiß-Verhältnisses (Volume Wear Ratio, VWR) dargestellt. Die Abschleifbarkeit ist mit der von herkömmlichen abschleifbaren Beschichtungen vergleichbar, die durch Thermosprühen aufgebracht werden. Die Vorteile, die die vorliegende Erfindung bietet, sind folgende: keine mechanischen Beschädigungen aufgrund der metallurgischen Verbindung zum Substrat und der Nachgiebigkeit der Wabenstruktur; und die Abrasionsbeständigkeit ist beispielsweise zehnmal besser als bei herkömmlichen Beschichtungen. Tabelle 2 VWR-Abschleifbarkeitsvergleich der vorliegenden Erfindung im Vergleich zu herkömmlichen abschleifbaren Beschichtungen
*VWR = Versiegelungsverschleißvolumen/SchaufelspitzenverschleißvolumenHinweis: Die Grundversion der vorliegenden Erfindung war nicht für Abschleifbarkeit optimiert.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die Wabenstruktur durch Hartlöten auf die Oberfläche des Metallsubstrats aufgebracht werden, wobei herkömmliche Hochtemperatur-Hartlotfolien oder Pulver verwendet werden wie z. B. MBF 100, ein Hartlot auf Kobaltbasis für ODS-Legierungen auf Eisenbasis, oder Nicrobraze-Hartlot 135 für Nickel-Superlegierungen. MBF 100 umfasst etwa 21 Gewichtsprozent Cr, 4,5 Gewichtsprozent W, 2,15 Gewichtsprozent B, 1,6 Gewichtsprozent Si und der verbleibende Anteil ist Co. Nicrobraze 135 umfasst etwa 3,5 Gewichtsprozent Si, 1,9 Gewichtsprozent B, 0,06 Gewichtsprozent C und der verbleibende Anteil ist Ni. Das Hartlöten wird vorzugsweise in einem Vakuumofen bei einer Temperatur von etwa 900 bis etwa 1200°C während einer Dauer von etwa 15 bis etwa 120 Minuten ausgeführt.
Nachdem die Wabenstruktur auf der Oberfläche des Metallsubstrats durch Hartlöten aufgebracht wurde, wird sie vorzugsweise partiell oxidiert und bildet auf der Wabenstrukturoberfläche eine Oxidbeschichtung, um das Festhaften des keramischen Füllmaterials zu unterstützen. Die partielle Oxidation der Oberfläche der Wabenstruktur kann durch Wärmezufuhr nach dem Hartlöten an der Luft oder während des Hartlötvorgangs erreicht werden, wenn das Vakuum auf etwa 10^–4 Torr gehalten wird.
Die Zellen der Wabenstruktur werden sodann zumindest teilweise mit einem fließfähigen Keramikfüllmaterial gefüllt, das die hohlen Keramikpartikel und das Bindermaterial umfasst, gefolgt von einem Erhitzen des fließfähigen Keramikfüllmaterials, um eine verbindende Keramikmatrix zu bilden, in der die hohlen Keramikpartikel einbettet sind. Das fließfähige Keramikfüllmaterial umfasst vorzugsweise die hohlen Keramikpartikel und ein matrixbildendes Bindermaterial, das in einem Lösungsmittel verteilt ist. Als Lösungsmittel zur Bildung einer Phosphatbinderlösung wird Wasser verwendet. Das Lösungsmittel umfasst vorzugsweise etwa 30 bis etwa 60 Gewichtsprozent des fließfähigen Keramikmaterials. Alternativ kann das fließfähige Keramikfüllmaterial in Pulverform ohne Lösungsmittel bereitgestellt werden. Das fließfähige Keramikfüllmaterial wird vorzugsweise in die offenen Zellen der Wabenstruktur eingepackt, indem eine Kombination von Bewegen und manuell unterstütztem Packen unter Verwendung von Druckstangen angewandt wird, damit die Zellen der Wabenstruktur zwangsweise gepackt werden, um eine vollständige Füllung sicherzustellen. Alternative Packungsverfahren wie z. B. Vakuum-Infiltration, Rakeln abgemessener Mengen und ähnliche Produktionsverfahren mit hohen Volumina können ebenfalls eingesetzt werden.
Sobald die Zellen der Wabenträgerstruktur mit dem fließfähigen Keramikfüllmaterial gefüllt sind, kann das Material getrocknet werden, um Lösungsmittel im Wesentlichen zu entfernen. Geeignete Temperaturen für das Trocknen reichen von etwa 60°C bis etwa 120°C.
Nach den Schritten des Füllens und des optionalen Trocknens wird das fließfähige Keramikfüllmaterial erhitzt, vorzugsweise auf Temperaturen von etwa 700°C bis etwa 900°C, während einer Dauer von etwa 60 bis etwa 240 Minuten. Die Parameter für die Brenntemperatur und die Dauer des Erhitzens werden vorzugsweise gesteuert, um die gewünschte Verbindung zwischen der Keramikmatrix und den eingebetteten hohlen Keramikpartikeln zu erzielen. Nach dem Brennen umfasst die Keramikmatrix vorzugsweise ein zusammenhängendes Skelett, das die hohlen Keramikpartikel zusammenhält. Die sich ergebende Keramikmatrix umfasst vorzugsweise Oxidfüllpartikel, die über ein Netz von Brückenbindungen aus Aluminiumphosphat festgehalten werden.
Bei einem bevorzugten Verfahren wird ein fließfähiger unbehandelter Körper aus Keramikfüllmaterial auf Phosphorbasis mit Monoaluminiumphosphatlösung, Keramikfüllpulver (wie z. B. Mullit, Aluminiumoxid, Ceroxid oder Zirkonoxid) und hohlen Keramikkugeln mit einem bevorzugten Größenbereich von etwa 0,2 mm bis etwa 1,5 mm in die Wabenstruktur eingebracht, bis er einen Kontakt mit der Substratbasis erhält. Das unbehandelt gebildete System wird anschließend getrocknet, um das verbleibende Wasser zu entfernen, und danach erhitzt, um ein feuerfestes, isolierendes Keramikfüllmaterial zu bilden, das die Zellen der Wabenstruktur füllt. Das Keramikfüllmaterial fungiert bei Temperaturen bis zu 1100°C oder höher als Wärmeschutzschicht, als abschleifbare und abrasionsbeständige Beschichtung. Eine keramische Deckschicht, z. B. eine Deckschicht auf Phosphatbasis von ähnlicher Zusammensetzung wie das aufgefüllte Keramikfüllmaterial für die Wabenstruktur oder alternative Keramikbeschichtungen, z. B. durch Luftplasmasprühen oder durch physikalische Dampfabscheidung (PVD) hergestellt, kann wahlweise verwendet werden.
Der Phosphatbinder kann mit der Oxidoberfläche sowohl an der Substratbasis als auch an den Wänden der Wabenstruktur angebracht werden. Aufgrund von unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten können bei einigen Keramikoberflächen Risse auftreten, jedoch reichen das Aufbringen und das mechanische Verankern auf der Wabenstruktur aus, um das Keramikfüllmaterial in den Sechseckzellen der Wabenstruktur festzuhalten. Die Verhaftung zwischen den Zellen kann auch durch Einfügen von Löchern in die Wabenstrukturzellwände erreicht werden, um die mechanische Verhaftung zu verstärken. Die Wabenstruktur kann außerdem eine Winkelform dergestalt erhalten, dass sie zur Oberfläche des Substrats nicht senkrecht ist, um die thermischen Eigenschaften des Verbunds zu verbessern und die mechanische Haftung zu erhöhen.
Um die Festhaftung an der Substratbasis zu verbessern, erhalten die Materialien aus Metall vor dem Aufbringen des Keramikfüllmaterials eine plasmagesprühte Beschichtung, z. B. aus Aluminiumoxid oder Mullit. Nach dem Brennen kann die Beschichtung wahlweise durch Feinbearbeitung auf die gewünschte Dicke gebracht werden. Die Beschichtung kann mit einem Phosphathaftfüllmaterial hinterfüllt und verfeinert werden, wenn eine glattere Oberfläche erforderlich ist.
Das folgende Beispiel soll der Veranschaulichung zahlreicher Aspekte der vorliegenden Erfindung dienen und ist nicht als Eingrenzung des Umfangs der Erfindung gemeint.
BEISPIEL
Eine spezielle Kombination der folgenden Materialien kann für die Herstellung des Beschichtungssystems verwendet werden: eine Superlegierung auf der Basis von Kobalt X-45 für das Substratmaterial; PM2000 für die Wabenstruktur (125 μm Wandstärke, 4 mm Tiefe und 3,56 mm Zellengröße); MBF 100 für die Hartlotfolie; eine 50-prozentige wässrige Lösung von Monoaluminiumphosphat; gesintertes Mullit-Pulver KCM73 (Partikelgröße 25 μm) und hohle Kugeln aus Aluminiumoxid (1,6 g/cm³ Schüttdichte, Kugeldurchmesser 0,3 mm bis 1,2 mm). Die Wabenstruktur wird auf das Oberflächensubstrat unter Anwendung bekannter Vakuum-Hartlöttechniken aufgelötet. Die Hartlotfolie MBF 100 wird formgerecht zugeschnitten, exakt unterhalb des Wabenstrukturteils platziert und sodann auf dem Substrat positioniert. Die Anordnung aus Wabenstruktur und Folie wird dann an der Luft durch Widerstands-Hartlöten am Substrat punktförmig fixiert, um die Wabenstruktur in ihrer Position zu halten. Durch das punktförmige Fixieren der Wabenstruktur auf dem Substrat wird verhindert, dass die Wabenstruktur zurückfedert und sich während des Hartlötens von der Substratoberfläche wegbewegt. Anschließend wird das Hartlöten gemäß den in Tabelle 3 aufgelisteten Zeitangaben ausgeführt.
Tabelle 3
Der nächste Schritt des Prozesses beinhaltet die Vorbereitung der Paste, die zum Einbringen der Kugeln in die Zellen der Wabenstruktur verwendet wird. Die Paste besteht aus 49,3 Gewichtsprozent einer wässrigen Monoaluminiumphosphat-Lösung und 50,7 Gewichtsprozent Mullitpulver KCM73. Die beiden Bestandteile werden in einem chemisch reaktionsträgen Behälter vermischt, bis das Pulver in der wässrigen Lösung gründlich verteilt ist. Anschließend wird die Lösung mindestens 24 Stunden lang stehen gelassen, damit sich eventuell im Pulver vorhandene metallische Verunreinigungen auflösen.
Danach wird die Paste auf die Oberfläche der hartgelöteten Wabenstruktur aufgebracht, um auf der Oberfläche der Zellwände eine hauchdünne Schicht zu erzeugen. Dieses Aufbringen geschieht unter Verwendung einer Luftsprühpistole bei einem Druck von etwa 1,4 bar (20 psi). Die hauchdünne Schicht dient als schwaches Haftmittel, um die hohlen Keramikkugeln zu halten. Beim nächsten Schritt werden die Kugeln in die angefeuchteten Zellen der Wabenstruktur eingebracht. Es kommen genügend Kugeln zum Einsatz, um das Volumen der Zellen zu etwa einem Drittel oder zur Hälfte aufzufüllen. Die Menge der zugeführten Kugeln muss nicht notwendigerweise genau abgemessen werden. Eine Art Streuprinzip kann angewendet werden, wobei die Zahl der in die einzelnen Zellen gelangenden Kugeln angemessener Sorgfalt und Aufmerksamkeit unterliegt. Nachdem die richtige Menge von Kugeln eingebracht wurde, wird eine Bürste mit steifen Borsten verwendet, um die Kugeln in die Zellen hineinzudrücken, um sicherzustellen, dass keine Lücken oder Lufttaschen in den teilweise gepackten Zellen verbleiben. Nach Abschluss des Hineindrückens wird der vorstehend beschriebene Prozess wiederholt, bis die zu füllenden Zellen vollständig mit gutgepackten Kugeln gefüllt sind. Das Aufsprühen der Paste und das Packen müssen ein oder zwei Mal wiederholt werden, damit die Zellen eingefüllt werden. Wenn die Zellen eingefüllt sind, wird eine Sättigungsschicht der Paste aufgebracht, um sicherzustellen, dass eventuell verbleibende Zwischenräume durch die aufweichende Wirkung der Paste gefüllt werden. Teile des Substrats können abgedeckt werden, um bei Bedarf einen Kontakt mit der Paste zu verhindern.
Wenn der unter Feuchte ausgeführte Vorgang des Füllens beendet ist, lässt man den feuchten unbehandelten Körper an der Luft bei Umgebungstemperatur 24 bis 48 Stunden lang trocknen. Er wird sodann der nachfolgenden Wärmebehandlung an der Luft unterzogen, um den feuerfesten, abgebundenen Körper herzustellen, auf den sich die hier beschriebene Erfindung bezieht.
Tabelle 4
Nach dem Brennen kann die Oberfläche der aufgefüllten Wabenstruktur gemäß bestimmten Toleranzen unter Verwendung von Diamantschleifmitteln und Wasser als Schmiermittel feinbearbeitet werden.
Bei einer thermischen Modellierung des vorliegenden Systems unter Verwendung eines eindimensionalen Wärmeübertragungsmodells zeigen sich die Vorteile der dicken Beschichtungen vom Wabenstruktur-Typ im Vergleich zu herkömmlichen dünnen Beschichtungen des APS-Typs. Für die aufgefüllte Wabenstruktur wird eine Wärmeleitfähigkeit von 2,5 W/(m·K) verwendet, die aus den relativen Volumenanteilen des Keramikfüllmaterials und der metallischen Wabenstruktur abgeleitet werden kann. 5 zeigt die relative Verringerung der bei dem vorliegenden System ausreichenden Kühlluft im Vergleich zu herkömmlichen TBC-Beschichtungen. Die verwendeten Wärmeübertragungsbedingungen (in der Abbildung dargestellt) sind für die Bedingungen des Betriebs moderner Gasturbinen repräsentativ. Aus den Kurven ist ersichtlich, dass für einen großen Bereich der Wärmeübertragungsbedingungen auf der heißen Seite (wobei sich der Bereich der heißen Turbinenteile von den Brennkammern bis zu den Schaufeln erstreckt) das vorliegende System beträchtliche Leistungsvorteile aufweist (von 30 % bis >90 % Einsparung von Kühlluft). Diese Vorteile können mit oder ohne Deckbeschichtungen erzielt werden. Bei einer angemessenen Dicke der Deckschicht erhöht sich der Vorteil im unteren Bereich der Wärmeübertragungsbedingungen jedoch beträchtlich.
Das vorliegende Beschichtungssystem bietet eine einzigartige Alternative zu herkömmlichen wärmedämmenden Beschichtungen wie z. B. APS und EBPVD für metallische Substrate. Die Wabenstruktur sorgt für den mechanischen Halt, der zum Festhaften der Keramik als dicke Schicht erforderlich ist. Die Komponenten des Systems, die Wabenstruktur, die Hartlotwerkstoffe und die keramischen Bestandteile sind alle relativ preisgünstig und erfordern keine kostspieligen Herstellungsprozesse, so dass dieser Prozess relativ billig ist.
Das vorliegende System bietet eine abrasionsbeständige, abschleifbare und thermisch isolierende Keramikbeschichtung mit höherer Dicke, woraus bei landgestützten Gasturbinen für die Metallteile ein höherer Temperaturschutz folgt. Das System kann bei Gaspfadtemperaturen von 1300°C und darüber mit Metallteilen verwendet werden, wodurch Ringdichtungssegmente und dergleichen von landgestützten Gasturbinen mit einem geringeren Bedarf an Kühlluft arbeiten und eine längere Lebensdauer erreichen. Das keramische Füllmaterial bietet einen hervorragenden Schutz vor Partikelabrasion, bietet aber gleichzeitig den erwünschten Abrieb für den Fall des Aneinanderreibens von Metall/Keramik, d. h. wenn Schaufelspitze/Ringabdichtungssegment aneinander reiben. Die Verankerung des Keramiksystems auf den Metallsubstraten unter Verwendung einer metallischen Wabenstruktur sorgt in dem System für eine Nachgiebigkeit, um örtliche Belastungen aufgrund von unterschiedlichen thermomechanischen Eigenschaften des Keramikfüllmaterials und des Substrats zu verringern. Durch diese Kombination von Materialien werden neue und neuartige wärmedämmende Materialien sowohl hinsichtlich der Temperatureigenschaften als auch des zulässigen Temperaturabfalls bei verbesserten Haltbarkeits- und Verschleißeigenschaften bereitgestellt.
Das Beschichtungssystem kann im Wesentlichen für jede Metalloberfläche in einer Verbrennungsturbine verwendet werden, bei der ein Wärmeschutz zum Erhalt der Funktionstüchtigkeit von Metallkomponenten erforderlich ist. Es bietet die Möglichkeit, sehr dicke Oberflächenbeschichtungen aufzubringen, damit sehr hohe Gaspfadtemperaturen und erheblich verminderte Mengen an Luft zur Kühlung der Komponenten möglich sind. Außer für Ringabdichtungssegmente, Übergänge und Brennkammern kann das System auf ebenen, mit heißem Gas überströmten Komponentenoberflächen, z. B. die der inneren und äußeren Abdeckungen der Schaufelsegmente, angewendet werden.
Auch wenn vorstehend bestimmte Ausführungsformen dieser Erfindung zum Zwecke der Veranschaulichung beschrieben wurden, ist dem Fachmann jedoch klar, dass zahlreiche Detailveränderungen an der vorliegenden Erfindung vorgenommen werden können, ohne von der Erfindung, so wie sie in den anhängenden Patentansprüchen definiert ist, abzuweichen.

Claims

Abschleifbare, wärmedämmende Verbundbeschichtung, die Folgendes umfasst: ein Metallsubstrat (8); eine Metallträgerstruktur (2), die offene Zellen umfasst, die an dem Substrat fest aufgebracht sind; und ein Keramikfüllmaterial (4) zumindest teilweise innerhalb der Zellen der Metallträgerstruktur (2), das hohle keramische Partikel (6) umfasst, die dadurch gekennzeichnet sind, dass sie eine mittlere Größe von etwa 0,2 mm bis etwa 1,5 mm in einer Keramikmatrix aufweisen.
Wärmedämmende Verbundbeschichtung nach Anspruch 1, die ferner eine Oxidoberflächenbeschichtung auf zumindest einem Teil der Metallträgerstruktur (2) umfasst.
Wärmedämmende Verbundschicht nach Anspruch 2, wobei die Oxidoberflächenbeschichtung ein Oxid mindestens eines Metalls umfasst, das aus der Titan, Aluminium und Yttrium umfassenden Gruppe ausgewählt wird.
Wärmedämmende Verbundbeschichtung nach Anspruch 2, wobei die Oxidoberflächenbeschichtung eine Dicke von etwa 0,005 μm bis etwa 5 μm aufweist.
Wärmedämmende Verbundschicht nach Anspruch 1, wobei die hohlen Keramikpartikel (6) mindestens ein Material umfassen, das aus der Zirkonoxid, Aluminiumoxid, Mullit und Ceroxid umfassenden Gruppe ausgewählt wird.
Wärmedämmende Verbundbeschichtung nach Anspruch 1, wobei die hohlen Keramikpartikel (6) kugelförmig sind und eine mittlere Größe bis zu etwa 1,5 mm haben.
Wärmedämmende Verbundbeschichtung nach Anspruch 1, wobei die Keramikmatrix mindestens ein Phosphat umfasst, das aus der Monoaluminiumphosphat, Yttriumphosphat, Lanthanphosphat und Borphosphat umfassenden Gruppe ausgewählt wird.
Wärmedämmende Verbundbeschichtung nach Anspruch 7, wobei die Keramikmatrix ferner mindestens ein Keramikfüllpulver (4) umfasst, das aus der Mullit, Aluminiumoxid, Ceroxid und Zirkonoxid umfassenden Gruppe ausgewählt wurde.
Wärmedämmende Verbundbeschichtung nach Anspruch 8, wobei das Keramikfüllpulver (4) eine mittlere Partikelgröße von etwa 1 μm bis etwa 100 μm aufweist.
Wärmedämmende Verbundbeschichtung nach Anspruch 1, wobei das Metallsubstrat (8) eine Komponente einer Verbrennungsturbine umfasst.
Wärmedämmende Verbundbeschichtung nach Anspruch 1, wobei die Gesamtdicke der Metallträgerstruktur (2) und des Keramikfüllmaterials (4) von etwa 1 mm bis etwa 6 mm reicht.
Wärmedämmende Verbundbeschichtung nach Anspruch 1, wobei die Gesamtdicke der Metallträgerstruktur (2) und des Keramikfüllmaterials (4) von etwa 2 mm bis etwa 4 mm reicht.
Wärmedämmende Verbundbeschichtung nach Anspruch 1, die ferner mindestens eine Zwischenschicht (14) mit einer Dicke von etwa 0,5 mm bis etwa 1,5 mm umfasst.
Wärmedämmende Verbundbeschichtung nach Anspruch 1, wobei die Metallträgerstruktur (2) offene Zellen umfasst und das Keramikfüllmaterial sich von den Zellen erstreckt, um eine Deckschicht (12) zu bilden.
Wärmedämmende Verbundschicht nach Anspruch 14, wobei die Deckschicht (12) eine Dicke von etwa 0,5 mm bis etwa 2 mm hat.
Verfahren zum Herstellen einer abschleifbaren, wärmedämmenden Verbundschicht, das folgende Schritte umfasst: festes Aufbringen einer Metallträgerstruktur (2), die zu einem Metallsubstrat (8) offene Zellen hat; zumindest teilweises Füllen der Zellen der Metallträgerstruktur (2) mit einem fließfähigen Keramikfüllmaterial (4), das hohle Keramikpartikel (6) umfasst; Erhitzen des fließfähigen Keramikfüllmaterials (4) zum Bilden einer Keramikmatrix, die die hohlen Keramikpartikel (6) mit einem Bindermaterial verbindet; und dadurch gekennzeichnet, dass die hohlen Keramikpartikel (6) eine mittlere Größe von etwa 0,2 mm bis etwa 1,5 mm haben.
Verfahren nach Anspruch 16, das ferner die Bereitstellung einer Oxidoberflächenbeschichtung auf mindestens einem Teil der Metallträgerstruktur (2) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 16, das außerdem die Bereitstellung von mindestens einer Keramikschicht (12) umfasst, die zumindest teilweise die Metallträgerstruktur und das Keramikfüllmaterial (4) bedeckt.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei das fließfähige Keramikfüllmaterial (4) durch Brennen bei einer Temperatur von etwa 700°C bis etwa 900°C während einer Dauer von etwa 60 bis etwa 240 Minuten erhitzt wird.