DE602004006336T2 - Brennkammer oder Turbinenteil einer Gasturbinenanlage - Google Patents
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Description
- HINTERGRUND DER ERFINDUNG
- Die vorliegende Erfindung betrifft Beschichtungen, die auf ein Silicium-enthaltendes Substrat aufgebracht sind.
- Keramiken auf der Basis von Silicium zeigen in wasserhaltigen Umgebungen hoher Temperatur wie beispielsweise den Verbrennungs- und Turbinensektionen von Gasturbinenmaschinen beschleunigte Oxidationsraten. Zur Verringerung der Oxidationsrate an Substraten auf Siliciumbasis, die als keramische Komponenten in solchen Umgebungen verwendet werden, wurde beträchtliche Mühe aufgewendet auf die Bereitstellung einer Umwelt-Sperrbeschichtung, d.h. (einer) Sperrschicht(en), für die Substrate auf Siliciumbasis, um die Gebrauchslebensdauer derartiger Komponententeile zu erhöhen.
- Bezug nehmend auf die
1a und1b bilden Umwelt-Sperrbeschichtungen des Stands der Technik einen Verbund10 , aufweisend ein Substrat12 auf Siliciumbasis, einen Bindungsauftrag oder eine Bindungsschicht14 , die eine dichte durchgehende Schicht aus Siliciummetall aufweist, eine Sperrschicht16 , die entweder ein Erdalkali-Aluminiumsilicat auf der Basis von Barium oder Strontium oder ein Yttriumsilicat oder ein anderes hitzefestes Metalloxid wie Oxide von Hafnium, Aluminium, Tantal und Niob aufweist, und einen Deckauftrag oder eine Deckschicht18 , die ein hitzefestes Oxid und/oder Silicat, beispielsweise Zirconiumoxid, aufweist. Zusätzlich kann eine Zwischenschicht20 zwischen dem Bindungsauftrag14 und der Sperre16 und/oder zwischen der Sperrschicht16 und der Deckschicht18 vorgesehen sein. Die Zwischenschicht weist, beispielsweise, ein Gemisch aus dem Sperrschichtmaterial mit einem zusätzlichen Oxid wie Mullit auf. Diese Umwelt-Sperrsysteme des Stands der Technik haben sich als schützend hinsichtlich Oxidation des Substrats auf Siliciumbasis und, zusätzlich, als anhaftend erwiesen. Es wurde jedoch nun gefunden, dass bestimmte mechanische Eigenschaften einiger Siliciumsubstrate wie Siliciumnitrid unter einer signifikanten Verschlechterung in 4-Punkt-Biegefestigkeitstests bei Raumtemperatur leiden, wie gezeigt. Man glaubt, dass sich der Verlust an mechanischen Eigenschaf ten aus dem Reißen der Bindungsschicht, die an das Silicium-enthaltende Substrat angrenzt, was Spannungskonzentrationen bewirkt, die Risse in dem Substrat selbst initiieren, ergibt. Die Risse in dem Bindungsauftrag oder der Bindungsschicht ergeben sich aus vielen Ursachen, wozu Unterschiede in den Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen dem Substrat und der Bindungsschicht und Spannungen, die als ein Ergebnis von schnellem zyklischem Abkühlen und Erhitzen der Komponententeile eingeführt wurden, gehören. - Natürlich wäre es hochgradig wünschenswert, eine verbesserte Bindungsauftragsschicht für Silicium-enthaltende Substrate bereitzustellen, die nicht unter einem signifikanten Verlust an mechanischen Eigenschaften leiden.
- Dementsprechend ist es eine Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Bindungsauftrag bereitzustellen, der die mechanischen Eigenschaften des Silicium-enthaltenden Substrats nicht belastet.
- ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
- Die vorstehende Aufgabe wird durch die vorliegende Erfindung erreicht, bei der eine Gasturbinenmaschinen-Verbrennungssektion oder -Turbinensektion ein Substrat auf Siliciumbasis mit einer Bindungsschicht, die ein ein hitzefestes Oxid bildendes Metall aufweist, mit einer Dicke von zwischen 0,1 bis 10 μm, aufweist. Das Metall, das das hitzefeste Oxid bildet, wird ausgewählt aus der Gruppe, die aus Chrom, Tantal, Niob, Silicium, Platin, Hafnium, Yttrium, Aluminium, Zirconium, Titan, Seltenerdmetallen, Erdalkalimetallen und Gemischen davon besteht. Es wird eine weitere Schicht vorgesehen, die ausgewählt wird aus der Gruppe, die aus Aluminiumsilicaten auf der Basis von Barium und Strontium, Seltenerdsilicaten, Yttriumsilicaten, Oxiden von Hafnium, Aluminium, Tantal und Niob und Gemischen davon besteht.
- Der Vorteil der Erfindung gegenüber dem Stand der Technik ist, dass ein Reißen, das mit einer dichten, durchgehenden Siliciumschicht im Zusammenhang steht, beseitigt wird, wie es durch Biegeprüfungen bei Raumtemperatur bezeugt wird.
- Weitere Aufgaben und Vorteile werden sich hierin unten zeigen.
- KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
-
1a und1b sind schematische Darstellungen von Verbundgegenständen gemäß dem Stand der Technik; und -
2 fasst die 4-Punkt-Biegeprüfungsergebnisse zusammen, die den Einfluss des Bindungsauftrags der vorliegenden Erfindung zeigen. - GENAUE BESCHREIBUNG
- Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gegenstand, der ein Substrat auf Siliciumbasis und eine Bindungsschicht aufweist. Die Bindungsschicht kann direkt auf das Substrat auf Siliciumbasis aufgetragen werden, oder alternativ kann eine Siliciumoxid-Zwischenschicht oder eine andere Zwischenschicht zwischen der Bindungsschicht und dem Substrat auf Siliciumbasis vorgesehen werden.
- Das Silicium-enthaltende Substrat kann ein Siliciumkeramik-Substrat oder eine Silicium-enthaltende Metalllegierung sein. In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Silicium-enthaltende Substrat ein Silicium-enthaltendes Keramikmaterial, wie beispielsweise Siliciumcarbid, Siliciumcarbid-Verbundmaterial, Siliciumnitrid, Siliciumnitrid-Verbundmaterial, Silicium-oxynitrid, Silicium-aluminium-oxynitird und Molybdänlegierungen und Nioblegierungen, die Silicium enthalten.
- Gemäß der vorliegenden Erfindung weist die Bindungsschicht ein ein hitzefestes Oxid bildendes Metall mit einer Dicke von zwischen 0,1 bis 10 μm auf. Das Metall, das ein hitzefestes Oxid bildet, ist ausgewählt aus der Gruppe, die aus Chrom, Tantal, Niob, Silicium, Platin, Hafnium, Yttrium, Aluminium, Zirconium, Titan, Seltenerdmetallen, Erdalkalimetallen und Gemischen davon besteht. Die dünne Schicht von weniger als 10 μm kann durch Sputtertechniken oder andere Techniken wie chemische Dampfabscheidung oder physikalische Dampfabscheidung aufgebracht werden.
- Der Gegenstand der vorliegenden Erfindung umfasst weitere Schichten wie Zwischenschichten, eine Sperrschicht oder weitere Schutzschichten. Diese Schichten weisen Materialien auf, die aus Aluminiumsilicaten auf der Basis von Barium und Strontium, Seltenerdsilicaten, Yttriumsilicaten, Oxiden von Hafnium, Aluminium, Tantal und Niob und Gemischen davon bestehen. Zusätzlich können die Zwischenschichten und Schutzschichten Sperrschichten aufweisen, die in der Technik bekannt sind, wie beispielsweise jene, die in den
US-Patenten 5 985 470 ,6 296 941 ,6 296 942 ,6 352 790 und6 387 456 offenbart sind. Zusätzlich kann jede beliebige dieser Schichten mit einem Modifikationsmittel des Wärmeausdehnungskoeffizienten ausgestattet werden, um den Wärmeausdehnungskoeffizienten der Schicht an denjenigen benachbarter Schichten anzugleichen. Ein derartiges Modifikationsmittel des Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE – coefficient of thermal expansion) ist offenbart in derUS-Patentanmeldung SN 10/034 677 US-Patent 6 617 037 . Das Modifikationsmittel ist Nioboxid. - Der Vorteil des Gegenstands der vorliegenden Erfindung wird bei der Betrachtung des folgenden Beispiels deutlich.
- BEISPIEL
- Beschichtungen der Bindungsschicht wurden auf Probestücken aus Siliciumnitrid hergestellt, wobei thermische Standard-Spritztechniken verwendet wurden, um Beschichtungen mit einer größeren Dicke als 20 µm zu erzeugen, und Standard-Sputtertechniken verwendet wurden, um Beschichtungen, die dünner als 20 µm waren, zu erzeugen. Thermisches Spritzen wurde durchgeführt unter Verwendung von Argon/Wasserstoff-Thermospritzbogengasen bei einem Energieniveau von näherungsweise 30 kW. Das Sputtern wurde unter Verwendung eines Silicium-Targets durchgeführt. Die Sputtereinrichtung wurde im RF-Diodenmodus mit Argongas bei 9 mTorr Druck betrieben. Die Siliciumnitrid-Substrat-Probestücke wurden gemäß ASTM C 1164-94 dimensioniert, was eine 4-Punkt-Biegestangenversuchs-Testbeschreibung ist, die verwendet wird, um die konventionelle 4-Punkt-Biegefestigkeit von Materialien zu messen. Es wurde eine Reihe von Bindungsschicht-Beschichtungen mit verschiedenen Beschichtungsdicken auf dem Siliciumnitrid hergestellt. Diese Beschichtungen waren Beispiele für die dünne Bin dungsschicht der vorliegenden Erfindung, und für das spezifische Beispiel bestanden sie aus Siliciummetall als die Bindungsschicht.
2 zeigt die 4-Punkt-Biegefestigkeit-Testergebnisse. Mit einer dicken Silicium-Bindungsschicht ist die Biegefestigkeit des Siliciumnitrids im Vergleich zur Festigkeit auf der Basis des unbeschichteten Siliciumnitrid-Substrats um näherungsweise 50% verringert. Wenn jedoch die Bindungsschicht-Dicke verringert wird, erhöht sich die Biegefestigkeit signifikant und nähert sich sogar der ursprünglichen Biegefestigkeit des Siliciumnitrids ohne Beschichtung. Wie unter Bezugnahme auf2 ersichtlich ist, ist bei einer Bindungsschichtdicke von 10 µm und weniger der Biegefestigkeits-Verlust weniger als 10%. - Es versteht sich, dass die Erfindung nicht auf die hierin beschriebenen und gezeigten Darstellungen, die als lediglich veranschaulichend für bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung betrachtet werden, und die Modifizierungen von Form, Größe, Anordnung von Teilen und Einzelheiten des Betriebs zugänglich sind, beschränkt ist. Vielmehr soll die Erfindung alle derartigen Modifikationen umfassen, die innerhalb ihres Umfangs, wie er durch den Anspruch definiert wird, sind.
Claims (1)
- Gasturbinenmaschinen-Verbrennungssektion oder -Turbinensektion, aufweisend ein Substrat (
12 ) auf Siliciumbasis, eine Bindungsschicht (14 ) und eine weitere Schicht, die ausgewählt ist aus der Gruppe, die aus Aluminiumsilicaten auf der Basis von Barium und Strontium, Seltenerdsilicaten, Yttriumsilicaten, Oxiden von Hafnium, Aluminium, Tantal und Niob und Gemischen davon besteht; dadurch gekennzeichnet, dass die Bindungsschicht ein ein hitzebeständiges Oxid bildendes Metall aufweist, das ausgewählt ist aus der Gruppe, die aus Chrom, Tantal, Niob, Silicium, Platin, Hafnium, Yttrium, Aluminium, Zirconium, Titan, Seltenerdmetallen, Erdalkalimetallen und Gemischen davon besteht, und eine Dicke von zwischen 0,1 bis 10 µm hat.
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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