DE60034076T2

DE60034076T2 - Stabile Mehrphasen-Wärmedämmschichtmaterial für Hochtemperaturanwendung

Info

Publication number: DE60034076T2
Application number: DE60034076T
Authority: DE
Inventors: Stephen M. Sabol; Ramesh Subramanian
Original assignee: Siemens Westinghouse Power Corp
Current assignee: Siemens Energy Inc
Priority date: 1999-02-05
Filing date: 2000-01-20
Publication date: 2007-07-19
Anticipated expiration: 2020-01-21
Also published as: KR20010101794A; JP4401576B2; US6203927B1; DE60034076D1; EP1153157A1; EP1418252A2; EP1418252B1; DE60026973T2; EP1418252A3; EP1153157B1; DE60026973D1; WO2000046420A1; JP2002536543A

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Diese Erfindung betrifft allgemein das Gebiet der thermischen Sperrschichten und spezieller eine thermische Sperrschicht für eine Hochtemperaturanwendung, wie zum Beispiel eine Verbrennungsturbinenanlage. Insbesondere betrifft diese Erfindung das Gebiet der mehrschichtigen keramischen thermischen Sperrschichten, die gegen Sinterungsschäden beständig sind, zum Beschichten von Superlegierungskomponenten einer Verbrennungsturbine.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Die Forderung nach fortgesetzter Verbesserung bei der Effizienz von Verbrennungsturbinenanlagen und Kraftwerken mit kombiniertem Zyklus hat die Konstrukteure dieser Systeme veranlasst, zunehmend höhere Brenntemperaturen in den Verbrennungsteilen dieser Systeme festzulegen. Obwohl jetzt Superlegierungswerkstoffe auf der Basis von Nickel und Kobalt für Komponenten im Heißgasströmungsweg verwendet werden, wie zum Beispiel Vergasungsbrenner-Übergangsstücke und rotierende und stationäre Turbinenschaufeln, sind selbst diese Superlegierungswerkstoffe nicht in der Lage, einen langzeitlichen Betrieb bei Temperaturen zu überstehen, die manchmal 1.200°C übersteigen.
Im Fachgebiet ist bekannt, wie man eine Superlegierungsmetallkomponente mit einem isolierenden keramischen Werkstoff beschichtet, um seine Fähigkeit zu verbessern, hohe Betriebstemperaturen zu überstehen; siehe zum Beispiel US-Patent 4,321,310, am 23. März 1982 an Ulion et al. erteilt. Es ist auch bekannt, wie man das isolierende keramische Material mit einem erosionsbeständigen Material beschichtet, um seine Empfindlichkeit für Verschleiß zu verringern, der durch das Auftreffen von Teilchen verursacht wird, die im Heißgasströmungsweg mit transportiert werden; siehe zum Beispiel die US-Patente 5,683,825, am 4. November 1997 an Bruce et al. erteilt, und 5,562,998, am 8. Oktober 1996 an Strangman erteilt.
Ein großer Teil der Entwicklung auf diesem Gebiet der Technologie wurde von der Triebwerksanlagenindustrie vorangetrieben, wo Turbinentriebwerke bei hohen Temperaturen arbeiten müssen und auch häufigen Temperaturübergängen ausgesetzt sind, wenn sich der Leistungspegel des Triebwerks ändert. Ein Verbrennungsturbinentriebwerk, das in einem stationären Kraftwerk installiert ist, ist ebenfalls hohen Betriebstemperaturen und Temperaturübergängen ausgesetzt, es kann aber auch bei voller Leistung und maximalen Temperaturen über lange Zeiträume, wie zum Beispiel jeweils für Tage oder sogar Wochen, arbeiten müssen. Isolationssysteme nach dem Stand der Technik unterliegen unter solchen Bedingungen bei höheren Temperaturen, die in den meisten modernen Verbrennungsturbinenanlagen gefordert werden, wie in EP 0 712 940 A1 gezeigt, das eine durchgehende Schicht eines sinterungshemmenden Materials in Spalten von der Ober- bis zur Unterseite offenbart, Qualitätsverschlechterungen.
Dementsprechend ist es ein Ziel dieser Erfindung, eine Vorrichtung bereitzustellen, die in der Lage ist, bei Temperaturen von mehr als 1.200°C über längere Zeitabschnitte zu arbeiten, wobei die Komponenten eine reduzierte Qualitätsverschlechterung erfahren. Es ist ferner ein Ziel dieser Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung solch einer Vorrichtung bereitzustellen, das nur Verarbeitungsschritte mit handelsüblichen Materialien nutzt.
KURZDARSTELLUNG
Um diese und andere Ziele der Erfindung zu erreichen, wird eine Vorrichtung, die eine thermische Sperrschicht auf zumindest einem Teil ihrer Oberfläche hat, zum Betrieb über einen Bereich von Temperaturen gemäß dieser Erfindung bereitgestellt. Die Vorrichtung hat ein Substrat; eine keramische Schicht, die eine Mikrostruktur aufweist, welche durch mehrere Spalte charakterisiert ist, die sich von einer Außenfläche der keramischen Schicht und einem sinterungshemmenden Material erstrecken, welches innerhalb der Spalte nur in einem oberen Abschnitt der Spalte angeordnet ist.
Ferner umfasst ein Verfahren gemäß dieser Erfindung zum Herstellen einer Vorrichtung, die über einen Bereich von Temperaturen betrieben werden kann, die folgenden Schritte: Bereitstellen eines Substrats; Anordnen einer keramischen Schicht in einer Weise, durch die die keramische Schicht mit einer Mikrostruktur bereitgestellt wird, welche durch mehrere Spalte, die sich von einer Außenfläche der keramischen Schicht aus erstrecken, und das Anordnen eines sinterungshemmenden Materials innerhalb der Spalte nur im oberen Abschnitt der Gruppe charakterisiert ist.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Querschnittsansicht einer Vorrichtung, die eine thermische Sperrschicht hat, wo ein stabiles keramisches Material als durchgehende Schicht aufgetragen ist.
2 ist eine Querschnittsansicht einer Vorrichtung, die eine thermische Sperrschicht gemäß dieser Erfindung hat, wo ein stabiles keramisches Material in Form von mehreren Klümpchen aufgetragen ist.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Wenn thermische Sperrschichtsysteme nach dem Stand der Technik der Hochtemperaturumgebung eines Heißgasströmungsweges eines stationären Verbrennungsturbinen-Kraftwerks ausgesetzt sind, ist eine der häufigen Ausfallarten der thermischen Sperrschicht Ermüdung. Eine aktuelle thermische Sperrschicht nach dem Stand der Technik ist yttriumstabilisiertes Zirkondioxid (YSZ), das durch Elektronenstrahldampfabscheidung (EB-PVD) abgeschieden wird. Der EB-PVD-Prozess stellt eine YSZ-Schicht mit einer säulenförmigen Mikrostruktur bereit, die Spalte im Submikrometerbereich zwischen benachbarten Säulen des YSZ-Materials hat. Alternativ kann das YSZ durch Luftplasmaspritzen (APS) aufgetragen werden, was nicht für eine säulenförmige Mikrostruktur sorgt, sondern eine Reihe von submikrometergroßen Rissen in der YSZ-Schicht erzeugt. Für die Zwecke dieser Anwendung soll der Begriff „Spalt" nicht nur die Spalte zwischen benachbarten Säulen in einer säulenförmigen Mikrostruktur umfassen, sondern auch die Risse in einer Schicht des Isoliermaterials, das durch APS oder ähnliche Prozesse abgeschieden wurde. Die Spalte sorgen für mechanische Flexibilität der isolierenden keramischen Schicht. Es ist bekannt, dass diese Spalte während des Betriebs bei hohen Temperaturen die Neigung besitzen, sich zu schließen, und wenn die Vorrichtung über eine ausreichend lange Zeit auf der erhöhten Temperatur gehalten wird, verbinden sich die benachbarten Seiten der Spalte durch Sintern. Das Verbinden des keramischen Materials über die Spalte hinweg reduziert die elastische Nachgiebigkeit bei Verformung und trägt damit zum Bruch der Schicht bei nachfolgenden thermischen Übergängen bei.
1, die hier als Vergleichsbeispiel gezeigt wird, das nicht der Erfindung entspricht, illustriert eine Querschnittsansicht eines Teils einer Vorrichtung, die eine thermische Sperrschicht hat, welche weniger empfindlich bei einer Verringerung der elastischen Nachgiebigkeit bei Verformung auf Grund des Sinterns ist. Vorrichtung 10 kann eine Schaufel einer Verbrennungsturbine oder eine stationäre Leitschaufel oder ein anderes Teil sein, das einer aggressiven Hochtemperaturumgebung ausgesetzt ist. Vorrichtung 10 hat ein Substrat 12, das aus einem Superlegierungsmetall oder einem anderen Werkstoff herge stellt sein kann, das die gewünschten mechanischen und chemischen Eigenschaften besitzt.
Auf dem Substrat 12 ist eine Bindeschicht 14 angeordnet. Bei einigen Anwendungen kann die Bindeschicht 14 weggelassen werden oder kann einen integralen Teil von Substrat 12 darstellen. In Verbrennungsturbinenanwendungen kann die Bindeschicht 14 normalerweise eine MCrAlY-Schicht sein, die durch einen EB-PVD-, Sputter- oder Niederdruck-Plasmaspritzprozess abgeschieden wurde. Wie im Fachgebiet bekannt ist, kann das M in dieser Formulierung Eisen, Nickel oder Kobalt oder eine Mischung derselben repräsentieren. Alternativ kann die Bindeschicht 14 Platin oder Platin-Aluminid sein, oder es ist möglicherweise keine deutlich erkennbare Bindeschicht vorhanden. Auf der Bindeschicht, oder bei Fehlen einer Bindeschicht 14 direkt auf Substrat 12, ist eine keramische Schicht 16 angeordnet, die zum thermischen Isolieren des Substrats 12 von der aggressiven Umgebung dient, in der sie wirksam ist. Die keramische Schicht 16 wird vorzugsweise aus einem YSZ-Material gebildet, zum Beispiel 8 Gewichtsprozent yttriumstabilisiertes Zirkondioxid, wie es im Fachgebiet bekannt ist, abgeschieden durch EB-PVD, um eine säulenförmige Mikrostruktur zu bilden, die durch mehrere Spalte 18 zwischen benachbarten Säulen 20 des YSZ-Materials charakterisiert ist.
Die Vorrichtung von 1 umfasst auch ein sinterungshemmendes Material 22, das innerhalb der Spalte 18 angeordnet ist, aber die Spalte von einer Säule bis zur benachbarten Säule nicht überbrückt. Mit sinterungsbeständigem Material ist bei dieser Anwendung jedes Material gemeint, das sinterungsbeständiger als das Substratmaterial 12 ist. Das sinterungshemmende Material 22 kann ein keramisches Material sein, das über den Temperaturbereich stabil ist, in dem die Vorrichtung 10 betrieben wird, zum Beispiel von Umgebungstemperatur bis über 1.200°C. Mit stabil ist bei dieser Anwendung gemeint, dass das Material keine kristallographische Phasentransforma tion erfährt, wenn es dem vollen Bereich seiner Auslegungsbetriebstemperatur ausgesetzt wird.
Das US-Patent 5,562,998, das oben diskutiert wird, lehrt die Anwendung einer Bindungsinhibitorschicht über einer keramischen thermischen Sperrschicht. Der Bindungsinhibitor, der in diesem Patent beschrieben wird, ist ein unstabilisiertes Material, wie zum Beispiel unstabilisiertes Zirkondioxid oder unstabilisiertes Hafniumoxid. Diese Materialien sintern oder verbinden sich beim Hochtemperaturbetrieb; beim Abkühlen auf eine niedrigere oder Umgebungstemperatur durchlaufen diese Materialien eine zerstörerische Phasentransformation vom tetragonalen zum monoklinen Zustand. Diese Transformation führt zum Zerbrechen der Bindungen zwischen benachbarten Säulen. Obwohl solche Materialien für Triebwerke nutzbar sind, die kurze thermische Zyklen aufweisen, können sie für stationäre Energie erzeugende Kraftmaschinen, die längere Betriebszyklen aufweisen, ungeeignet sein. Während der langdauernden Einwirkung von hohen Temperaturen lösen sich unstabilisiertes Zirkondioxid und Hafniumoxid in dem darunter liegenden YSZ-Material auf. Nach dem Auflösen in dem keramischen Isoliermaterial kann das Bindungsinhibitormaterial von Patent 5,562,998 keine kristallographische Transformation in den Spalten beim Abkühlen mehr durchlaufen. Nach längeren Zeiträumen des Hochtemperaturbetriebs werden die gesinterten Bindungen nicht zerbrochen, was folglich die elastische Nachgiebigkeit des keramischen Isoliermaterials reduziert und zu vorzeitigem Ausfall der Komponente führt.
Ferner offenbart das Patent 5,683,825 des Standes der Technik, das oben diskutiert wird, eine erosionsbeständige thermische Sperrschicht. In diesem Patent wird eine erosionsbeständige Zusammensetzung, wie zum Beispiel Tonerde oder Siliziumcarbid, auf der keramischen Isolierschicht angeordnet. Dieses Patent beschreibt eine relativ dicke Schicht aus erosionsbeständigem Material, das nicht zwischen die Säulen des darunter liegenden keramischen Isoliermaterials dringt und daher nicht das Sintern zwischen den Säulen verhindert.
Das sinterungshemmende Material 22 der vorliegenden Erfindung überwindet diese Mängel des Standes der Technik. Durch Eindringen eines sinterungshemmenden Materials 22 in die Spalte 18 gemäß Anspruch 1 und Verhindern des Verhindens benachbarter Säulen 20 besteht keine Notwendigkeit, sich auf eine kristallographische Transformation zu verlassen, um die Bindungen wie beim Stand der Technik zu zerbrechen. Das sinterungshemmende Material 22 ist vorzugsweise eine Oxidverbindung, die in der darunter liegenden keramischen Schicht 16 unlöslich ist und die über den Bereich der Betriebstemperaturen von Vorrichtung 10 stabil ist. Ein solches sinterungshemmendes Material 22 zur Verwendung mit einer keramischen Schicht 16 aus YSZ ist Aluminiumoxid (Tonerde) Al₂O₃. Eine alternative Ausführungsform für das sinterungshemmende Material 22 ist Yttrium-Aluminiumoxid. Das sinterungshemmende Material 22 kann in die Spalte 18 durch einen Prozess der metallorganischen chemischen Dampfabscheidung (CVD) eingebracht werden. Der CVD-Prozess wird zum Abscheiden des sinterungsbeständigen Materials 22 bis zu einer Dicke auf der Oberseite der Säulen 20 der keramischen Schicht 16 verwendet, die von nur ein paar Angström bis zu mehreren Mikrometern reicht. In einer Ausführungsform kann eine Tonerdeschicht verwendet werden, die eine Dicke von etwa 5 Mikrometern auf der Oberseite der Säulen 20 der keramischen Schicht 16 hat. Alternative Ausführungsformen können eine Dicke des sinterungsbeständigen Materials auf der Oberseite der Säulen 20 der keramischen Schicht 16 von nicht mehr als 0,1 Mikrometer oder alternativ von nicht mehr als 1 Mikrometer oder alternativ von nicht mehr als 10 Mikrometern haben. Die Dicke der Schicht des sinterungsbeständigen Materials 22 innerhalb der Spalte 18 ist geringer als die Dicke auf der Oberfläche der keramischen Schicht 16, ist aber im Allgemeinen proportional zu derselben. Die Dicke sollte gesteuert werden, um zu verhindern, dass das sinterungsbeständige Material 22 die Spalte 18 überbrückt, wodurch die Funktionsfähigkeit der Schicht reduziert wird. Weil das ausgewählte sinterungshemmende Material 22 nicht ohne weiteres sintert, verbinden sich die Säulen 20 von Vorrichtung 10 bei hohen Temperaturen nicht. Und weil das sinterungshemmende Material 22 nicht im darunter liegenden Material der keramischen Schicht 16 löslich ist, bleibt es auf der Oberfläche der Säulen 20 über die gesamte Gebrauchsdauer der Vorrichtung 10 erhalten, seine Beständigkeit gegenüber dem Sintern bleibt also bestehen.
Das sinterungshemmende Material 22 kann auf die isolierende keramische Schicht 16 als amorphe oder instabile Zwischenphase aufgetragen werden. In einer Ausführungsform der Erfindung wird amorphes Aluminiumoxid in den Spalten 18 durch einen metallorganischen CVD-Prozess abgeschieden. Beim Erwärmen, entweder beim Herstellungsprozess oder während des ersten Betriebs der Vorrichtung 10, durchläuft die amorphe Schicht eine Transformation in eine kristallographisch stabile Phase, wie zum Beispiel Alpha-Al₂O₃. Diese Alphaphase ist bei hohen Temperaturen stabil und erfüllt die Funktion eines Sinterungsinhibitors.
Das Verfahren zum Herstellen einer Vorrichtung gemäß dieser Erfindung nutzt Prozesse, die handelsüblich sind. Um eine solche Vorrichtung herzustellen, kann zuerst ein Substrat 12 mit einer Bindeschicht 14 durch einen bekannten Prozess beschichtet werden, wie zum Beispiel einen Niederdruck-Plasmaspritz-, Hochgeschwindigkeits-Sauerstoff-Brennstoff-, abgeschirmten Plasmaspritz- oder Luftplasmaspritzprozess. Die keramische Schicht 16 wird dann auf der Bindeschicht 14 durch einen bekannten Prozess verteilt, wie zum Beispiel EB-PVD, wodurch eine keramische Schicht 16 bereitgestellt wird, die mehrere Spalte 18 innerhalb derselben hat. Alternativ kann die keramische Schicht 16 bei einigen Anwendungen direkt auf das Substrat 12 aufgetragen werden. Das sinterungshemmende Material 22 wird dann auf die Oberfläche der Säulen 20 durch ein Dampfabscheidungsverfahren aufgebracht, wie zum Beispiel die chemische Dampfabscheidung oder metallorganische CVD, oder durch eines aus einer Reihe von bekannten Infiltrierungsverfahren, wie zum Beispiel die Sol-Gel-Infiltrierung.
Die Morphologie des sinterungshemmenden Materials 22 kann ebenfalls gesteuert werden. Wie in 1 illustriert, kann das sinterungshemmende Material 22 als durchgehende Schicht innerhalb der Spalte 18 aufgetragen werden, entweder als amorphe oder als stabile Phase.
2 illustriert eine Ausführungsform einer Vorrichtung gemäß dieser Erfindung. Ähnliche Strukturen sind in beiden Figuren konsistent nummeriert. Wie in 2 zu erkennen ist, wird ein Substrat 12, das eine Bindeschicht 14 hat, die darauf verteilt ist, mit einer keramischen Schicht 16 bedeckt, die Säulen 20 und Spalte 18 hat. Bei dieser Ausführungsform wird ein sinterungshemmendes Material in den Spalten 18 in Form von mehreren Klümpchen 24 verteilt. Die Klümpchen 24 können auf Grund einer geringeren Kontaktfläche zwischen den Klümpchen 24 auf benachbarten Säulen 18, verglichen mit einer durchgehenden Schicht des sinterungshemmenden Materials 22, eine reduzierte Neigung zur Bildung von Brücken zwischen den Säulen 20 zeigen. Ferner zerbricht jede Bildung von Zwischenbrücken zwischen den Säulen 18 wahrscheinlich beim regelmäßigen Durchlaufen von thermischen Zyklen der Vorrichtung 10. Die Klümpchengestalt wird durch Steuern der Dicke der aufgetragenen Schicht des Materials und die nachfolgende Wärmebehandlung erreicht. Eine relativ dünne Schicht von etwa 0,1 Mikrometer Tonerde auf der Oberseite der keramischen Schicht 16 führt zu einer relativ dünnen durchgehenden Schicht in den Spalten 18. Während der nachfolgenden Wärmebehandlung, während der sich die Tonerde in die stabile Alphaphase umwandelt, erfährt sie eine Volumenverringerung, die zur Erzeugung von Klümpchen 24 von sinterungsbeständigem Material 22 innerhalb der Spalte 18 führt. Eine dickere Schicht von etwa 1 Mikrometer Tonerde auf der Oberfläche stellt eine ausreichend dicke Schicht innerhalb der Spalte 18 bereit, so dass selbst nach Wärmebehandlung das sinterungsbeständige Material 22 als durchgehende Schicht erhalten bleibt. Ein alternatives Verfahren zum Erreichen einer durchgehenden Schicht innerhalb der Spalte 18 besteht darin, mehrere dünne Schichten des sinterungsbeständigen Materials 22 aufzutragen, so dass der Raum zwischen den Klümpchen 24 im Wesentlichen mit anderen Klümpchen 24 gefüllt wird, um eine durchgehende Schicht 22 zu erzeugen.
Ferner ist das sinterungshemmende Material in der Ausführungsform in 2 nur in einem oberen Teil 26 der Spalte 18 und nicht im unteren Teil 28 der Spalte 18 angeordnet. Die Geometrie der Spalte 18 und das Verfahren zur Abscheidung der Schicht steuern diese Variable.
Andere Erscheinungsformen, Ziele und Vorteile dieser Erfindung können anhand der Figuren, der Offenbarung und der angehängten Ansprüche ersichtlich werden.

Claims

Vorrichtung (10), die eine thermische Sperrschicht auf zumindest einem Teil ihrer Oberfläche hat, wobei die Vorrichtung umfasst: ein Substrat (12); eine keramische Schicht (16), die auf zumindest einem Teil des Substrats (12) verteilt ist, wobei die keramische Schicht (16) benachbarte Säulen (20) und eine Mikrostruktur hat, wobei die Mikrostruktur mehrere Spalte (18) hat, die sich von einer Außenfläche der keramischen Schicht (16) zum Substrat (12) hin erstrecken, ein sinterungshemmendes Material (22), das das Verbinden benachbarter Säulen (20) verhindert; wobei die Vorrichtung dadurch gekennzeichnet ist, dass das sinterungshemmende Material (22) innerhalb des oberen Teils (26) der Spalte (18), jedoch nicht innerhalb eines unteren Teils (28) der Spalte (18) verteilt ist.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 1, wobei das sinterungshemmende Material (22) als durchgehende Schicht verteilt ist.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 1 bis 2, wobei das sinterungshemmende Material (22) eine Dicke auf der Oberfläche der keramischen Schicht (16) von nicht mehr als 0,1 Mikrometer hat.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 1 bis 2, wobei das sinterungshemmende Material (22) eine Dicke auf der Oberfläche der keramischen Schicht (16) von nicht mehr als 1 Mikrometer hat.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 1 bis 2, wobei das sinterungshemmende Material (22) eine Dicke auf der Oberfläche der keramischen Schicht (16) von nicht mehr als 10 Mikrometer hat.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das sinterungshemmende Material Aluminiumoxid umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das sinterungshemmende Material Yttrium-Aluminiumoxid umfasst.