DE60208274T2

DE60208274T2 - Segmentierte Wärmedämmschicht und Verfahren zu ihrer Herstellung

Info

Publication number: DE60208274T2
Application number: DE2002608274
Authority: DE
Inventors: Ramesh Subramanian
Original assignee: Siemens Power Generations Inc
Current assignee: Siemens Energy Inc
Priority date: 2001-08-02
Filing date: 2002-07-23
Publication date: 2006-06-22
Anticipated expiration: 2022-07-24
Also published as: DE60208274D1; US6703137B2; EP1283278A2; EP1283278B1; EP1283278A3; US20040081760A1; US20030207079A1

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Wärmedämmschichten für metallische Trägermaterialien und insbesondere eine verformungstolerante Wärmedämmschicht für eine Gasturbinenkomponente und ein Verfahren zur Herstellung derselben.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Es ist bekannt, dass sich der Wirkungsgrad einer Verbrennungsturbine verbessert, wenn die Verbrennungstemperatur des Verbrennungsgases erhöht wird. Wenn sich die Verbrennungstemperaturen erhöhen, muss sich dementsprechend auch die Hochtemperaturbeständigkeit der Komponenten der Turbine erhöhen. Obwohl nunmehr für Komponenten im Heißgas-Durchflussweg, wie etwa Übergangsteile von Brennkammern sowie Laufschaufeln und feststehende Leitschaufeln von Turbinen, auf Nickel und Cobalt basierende Superlegierungen verwendet werden, sind selbst diese Superlegierungen nicht in der Lage, einem Langzeitbetrieb bei Temperaturen standzuhalten, die manchmal 1400 °C übersteigen. Bei vielen Anwendungen wird ein metallisches Trägermaterial mit einem keramischen Isoliermaterial beschichtet, um die Betriebstemperatur des darunter befindlichen Metalls zu verringern und die Größe der Temperaturgradienten zu verringern, welchen das Metall ausgesetzt ist.
Wärmedämmschicht- (Thermal Barrier Coating, TBC) Systeme werden mit dem Ziel entwickelt, ihre Haftfähigkeit an dem darunter befindlichen Trägermaterial zu maximieren und einen Ausfall zu verhindern, wenn sie thermischen Wechselbeanspruchungen ausgesetzt werden. Der Temperaturgradient, der in Richtung der Dicke einer Keramikschicht vorhanden ist, hat eine unterschiedliche Wärmeausdehnung des oberen und des unteren Teils der Schicht zur Folge. Diese unterschiedliche Wärmeausdehnung erzeugt Spannungen innerhalb der Schicht, welche ein Abplatzen der Schicht entlang einer oder mehrerer Ebenen parallel zur Oberfläche des Trägermaterials verursachen können. Es ist bekannt, dass eine stärker poröse Schicht im Allgemeinen zu geringeren Spannungen führt als dichte Schichten. Poröse Schichten weisen meist auch bessere Isolationseigenschaften auf als dichte Schichten. Poröse Schichten verdichten sich jedoch während eines langen Betriebs bei hohen Temperaturen infolge von Diffusion in der keramischen Matrix, wobei diese Verdichtung im oberen (heißeren) Bereich der Schicht stärker ausgeprägt ist als im unteren (kühleren) Bereich nahe am Trägermaterial. Diese unterschiedliche Verdichtung erzeugt ebenfalls Spannungen innerhalb der Schicht, die ein Abplatzen der Schicht zur Folge haben können.
Eine den gegenwärtigen Stand der Technik repräsentierende Wärmedämmschicht ist Yttriumoxid-stabilisiertes Zirkondioxid (YSZ), das mittels physikalischer Gasphasenabscheidung mit Elektronenstrahl (electron beam physical vapor deposition, EB-PVD) aufgetragen wird. Das Verfahren EB-PVD liefert eine YSZ-Schicht mit einer säulenartigen Mikrostruktur, die Zwischenräume im Submikron-Bereich zwischen benachbarten Säulen des YSZ-Materials aufweist, wie zum Beispiel im US-Patent 5.562.998 beschrieben wurde. Die Zwischenräume zwischen den Säulen dieser Schichten sorgen für eine bessere Verformungstoleranz und Temperaturwechselbeständigkeit. Stattdessen kann das YSZ auch durch einen Verfahren des atmosphärischen Plasmaspritzens (air plasma spraying, APS) aufgebracht werden. Die Kosten der Aufbringung einer Schicht mit einem APS-Verfahren betragen im Allgemeinen weniger als die Hälfte der Kosten der Anwendung eines EB-PVD-Verfahrens. Mit dem APS-Verfahren ist es jedoch äußerst schwierig, ein gewünschtes säulenartiges Korngefüge herzustellen.
Es ist bekannt, eine Wärmedämmschicht mit einer Segmentierung der Oberfläche herzustellen, um die mit der Temperaturwechselbeständigkeit zusammenhängenden Eigenschaften der Schicht zu verbessern. Im US-Patent 4.377.371 wird eine keramische Abdichtungsvorrichtung beschrieben, bei der in einer durch Plasmaspritzen aufgebrachten Keramikschicht absichtlich gutartige Risse erzeugt werden. Mit Hilfe eines CO₂-Dauerstrichlasers wird eine obere Schicht des Keramiküberzuges geschmolzen. Wenn die geschmolzene Schicht sich abkühlt und wieder verfestigt, wird infolge der Schrumpfung während der Verfestigung der geschmolzenen Bereiche eine Vielzahl von gutartigen Mikrorissen in der Oberfläche des Überzuges gebildet. Die Dicke der geschmolzenen/wieder verfestigten Schicht beträgt nur ca. 0,005 Zoll (0,127 mm), und die gutartigen Risse haben eine Tiefe von nur einigen Mikrozoll. Dementsprechend bietet dieses Verfahren kaum Vorteile bei Anwendungen, bei denen die Betriebstemperatur bewirkt, dass sich schädliche Temperaturgradienten bis zu einer Tiefe in die Schicht hinein erstrecken, welche größer ist als einige Mikrozoll.
Eine spezielle Steuerung des Abscheidungsvorgangs kann vertikale Mikrorisse in einer Schicht aus Wärmedämmschicht-Material hervorrufen, wie von den US-Patenten 5.743.013 und 5.780.171 gelehrt wird. Solche speziellen Parameter der Abscheidung können dem Fertigungsprozess für eine spezielle Anwendung unerwünschte Einschränkungen auferlegen.
Das US-Patent 4.457.948 lehrt, dass die Verformungstoleranz einer Wärmedämmschicht durch einen nach der Abscheidung erfolgenden Prozess der Wärmebandlung/des Abschreckhärtens, welcher ein feines Netz von Rissen in der Schicht erzeugt, erhöht werden kann. Diese Art von Prozess wird im Allgemeinen angewandet, um eine komplette Komponente zu behandeln, und wäre nicht bei Anwendungen von Nutzen, bei denen solche Risse nur an einem Teil einer Komponente erwünscht sind oder bei denen der Grad der Rissbildung an verschiedenen Abschnitten der Komponente unterschiedlich stark ausgeprägt sein muss.
Im US-Patent 5.681.616 wird eine dicke Wärmedämmschicht beschrieben, in welcher Rillen ausgebildet sind, um die Verformungstoleranz zu erhöhen. Die Rillen werden mittels eines Flüssigkeitsstrahl-Verfahrens hergestellt. Diese Rillen haben eine Breite von ca. 100–500 Mikrometern. Obwohl diese Rillen eine verbesserte Zugentlastung/Spannungsentlastung unter den Bedingungen hoher Temperaturen gewährleisten, sind sie für die Verwendung an Schaufelblattabschnitten einer Turbine aufgrund der aerodynamischen Störung, die durch den Strom des heißen Verbrennungsgases über solche breiten Rillen verursacht wird, nicht geeignet. Außerdem erstrecken sich die Rillen bis hin zu Haftvermittlungsschicht, und dies kann deren Oxidation zur Folge haben und demzufolge zu einem vorzeitigen Ausfall führen.
Im US-Patent 5.352.540 wird die Verwendung eines Lasers zur Herstellung einer Matrix von nicht durchgängigen Rillen in der Außenseite einer Obenflächenschicht aus Festschmierstoff wie etwa Zinkoxid beschrieben, um die Schmierstoffschicht verformungstolerant zu machen. Die Nuten werden mit Hilfe eines Kohlendioxidlasers hergestellt und haben an der Oberfläche eine Öffnungsweite von 0,005 Zoll (0,127 mm), wobei sie nach innen konisch zulaufen und sich bis in eine Tiefe von ca. 0,030 Zoll (0,762 mm) erstrecken. Solche Rillen wären in einer Schaufelblatt-Umgebung nicht von Nutzen, und außerdem könnte das hohe Aspektverhältnis von Tiefe zu Oberflächenbreite bei Anwendungen mit hohen Spannungen eine unerwünschte Spannungskonzentration an der Spitze der Rille verursachen.
Es ist bekannt, Laserenergie zu verwenden, um Vertiefungen in eine Keramik- oder Metallschicht zu schneiden, um eine verschleißfeste abrasive Oberfläche herzustellen. Ein solches Verfahren wird im US-Patent 4.884.820 für die Herstellung einer verbesserten rotierenden Gasdichtungs-Oberfläche beschrieben.
Es wird ein Laser verwendet, um Vertiefungen in die Oberfläche der Schicht zu schmelzen, wobei die Ränder der Vertiefungen eine harte, scharfe Oberfläche bilden, welche in der Lage ist, eine gegenüber befindliche Verschleißfläche abzureiben. Eine solche Oberfläche wäre als Oberfläche eines Schaufelblattes sehr unerwünscht. Auf ähnliche Weise wird im US-Patent 5.9951.892 eine Dichtfläche durch Laserstrahlzuschnitt strukturiert. Die mit diesem Verfahren hergestellte Oberfläche ist für eine Anwendung bei Schaufelblättern ebenfalls ungeeignet. Diese Patente betreffen Materialverschleiß-Eigenschaften einer Verschleißoberfläche und beschreiben insofern keine Verfahren, welche von Nutzen wären, um eine Wärmedämmschicht mit verbesserten Wärmebeständigkeits-Eigenschaften herzustellen.
KURZE ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Dementsprechend werden eine verbesserte Wärmedämmschicht und ein Verfahren zur Herstellung einer Komponente mit einer solchen Wärmedämmschicht für Anwendung mit sehr hohen Temperaturen benötigt, insbesondere für die Schaufelblattabschnitte einer Verbrennungsturbine.
Es wird ein Verfahren zur Herstellung einer Turbinenkomponente beschrieben, welches die folgenden Schritte umfasst: Vorsehen eines Trägermaterials, das eine Oberfläche aufweist; Aufbringen einer Schicht aus keramischem Isoliermaterial auf die Oberfläche des Trägermaterials, wobei das aufgebrachte keramische Isoliermaterial einen ersten Porenanteil in einer unteren Schicht, die sich in der Nähe der Oberfläche des Trägermaterials befindet, und einen zweiten Porenanteil, der kleiner als der erste Porenanteil ist, in einer oberen Schicht, die sich in der Nähe der Oberseite der Schicht des keramischen Isoliermaterials befindet, aufweist und Richten von Laserenergie auf das keramische Isoliermaterial, um die Oberseite der Schicht des keramischen Isoliermaterials zu segmentieren. Das Verfahren kann ferner das Steuern der Laserenergie umfassen, so dass in der Oberseite der Schicht des keramischen Isoliermaterials Segmente gebildet werden, die durch Zwischenräume von nicht mehr als 50 Mikrometern oder von nicht mehr als 25 Mikrometern getrennt sind. Das Verfahren kann ferner das Steuern der Laserenergie umfassen, so dass in der Oberseite der Schicht des keramischen Isoliermaterials Segmente gebildet werden, die durch Zwischenräume getrennt sind, welche eine im Wesentlichen U-förmige Geometrie ihres Bodens aufweisen.
Es wird eine Turbinenkomponente beschrieben, welche umfasst: ein Trägermaterial, das eine Oberfläche aufweist; eine auf die Oberfläche des Trägermaterials aufgebrachte Schicht aus keramischem Isoliermaterial, wobei das keramische Isoliermaterial einen ersten Porenanteil in einer unteren Schicht, die sich in der Nähe der Oberfläche des Trägermaterials befindet, und einen zweiten Porenanteil, der kleiner als der erste Porenanteil ist, in einer oberen Schicht, die sich in der Nähe der Oberseite der Schicht des keramischen Isoliermaterials befindet, aufweist; und eine Vielzahl von lasergravierten Zwischenräumen, die Segmente in der Oberseite der Schicht des keramischen Isoliermaterials begrenzen. Die Vorrichtung kann ferner umfassen, dass die Zwischenräume an der Oberfläche der Schicht des keramischen Isoliermaterials eine Breite von nicht mehr als 50 Mikrometern oder von nicht mehr als 25 Mikrometern haben. Die Vorrichtung kann ferner umfassen, dass die Zwischenräume eine im Wesentlichen U-förmige Geometrie ihres Bodens aufweisen.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung der Erfindung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen ersichtlich, wobei:
1 eine Teilschnittansicht einer Verbrennungsturbinenschaufel ist, die ein Trägermaterial aufweist, das mit einer Wärmedämmschicht beschichtet ist, welche zwei Schichten mit unterschiedlicher Porosität aufweist, wobei die obere Schicht durch eine Vielzahl von lasergravierten Zwischenräumen segmentiert ist;
2 eine graphische Darstellung der Verringerung der Spannung an der Oberfläche einer Wärmedämmschicht als Funktion der Breite, der Tiefe und des Abstands von in der Oberfläche der Schicht gebildeten Zwischenräumen zur Segmentierung ist;
3A eine Teilschnittansicht einer Komponente ist, die eine mittels Laser segmentierte keramische Wärmedämmschicht aufweist;
3B die Komponente von 3A zeigt, auf die eine Schicht aus hafthemmendem Material aufgebracht wurde;
3C die Komponente von 3B zeigt, nachdem das hafthemmende Material einem Wärmebehandlungsprozess unterzogen wurde;
4A eine Querschnittzeichnung eines Zwischenraumes ist, der durch eine erste Bearbeitung mit einem Laser mit einer ersten Brennweite in ein keramisches Material geschnitten wurde, wobei der Zwischenraum eine im Wesentlichen V-förmige Geometrie seines Bodens aufweist;
4B den Zwischenraum von 4A zeigt, der einer zweiten Bearbeitung mit Laserenergie mit einer Brennweite unterzogen wurde, die größer als die bei der ersten Bearbeitung von 4A verwendete ist, um die Geometrie des Bodens des Zwischenraumes in eine im Wesentlichen U-förmige Gestalt zu ändern.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
1 zeigt eine Teilschnittansicht einer Komponente 10, die für die Verwendung in einer Umgebung mit sehr hohen Temperaturen hergestellt wurde. Die Komponente 10 kann zum Beispiel der Schaufelblattabschnitt einer Laufschaufel oder Leitschaufel einer Verbrennungsturbine sein. Die Komponente 10 umfasst ein Trägermaterial 12 mit einer Oberseite 14, welche der Umgebung mit sehr hohen Temperaturen ausgesetzt wird. Bei der Ausführungsform einer Verbrennungsturbinenschaufel kann das Trägermaterial 12 eine Superlegierung wie etwa eine Superlegierung auf der Basis von Nickel oder Cobalt sein und wird normalerweise durch Gießen und spanende Bearbeitung hergestellt. Die Oberfläche 14 des Trägermaterials wird normalerweise zwecks Beseitigung von Verunreinigungen gereinigt, etwa durch Sandstrahlen mit Aluminiumoxid, bevor irgendwelche zusätzlichen Materialschichten aufgebracht werden. Auf die Oberfläche 14 des Trägermaterials kann eine Haftvermittlerschicht 16 aufgebracht werden, um die Haftung einer anschließend aufgebrachten Wärmedämmschicht zu verbessern und die Oxidation das darunter befindlichen Trägermaterials 12 zu verringern. Stattdessen kann auch auf die Haftvermittlerschicht verzichtet und eine Wärmedämmschicht unmittelbar auf die Oberfläche 14 des Trägermaterials aufgebracht werden. Eine gebräuchliche Haftvermittlerschicht 16 ist ein Werkstoff MCrAlY, wobei M Nickel, Cobalt, Eisen oder Mischungen davon bezeichnet, Cr Chrom bezeichnet, Al Aluminium bezeichnet und Y Yttrium bezeichnet. Eine andere gebräuchliche Haftvermittlerschicht 16 ist Tonerde. Die Haftvermittlerschicht 16 kann mit einem beliebigen bekannten Verfahren aufgebracht werden, wie mit etwa Kathodenzerstäubung, Plasmaspritzverfahren, Verfahren des Hochgeschwindigkeits-Plasmaspritzens oder physikalischer Gasphasenabscheidung mit Elektronenstrahl.
Danach wird eine keramische Wärmedämmschicht 18 über der Haftvermittlerschicht 16 oder direkt auf die Oberfläche 14 des Trägermaterials aufgebracht. Bei der Wärmedämmschicht (thermal barrier coating, TBC) kann es sich um Yttriumoxidstabilisiertes Zirkondioxid handeln, welches Zirkondioxid ZrO₂ mit einer festgelegten Konzentration von Yttriumoxid Y₂O₃ enthält, um Pyrochlore oder andere in der Technik bekannte Werkstoffe für Wärmedämmschichten. Die Wärmedämmschicht wird vorzugsweise mit Hilfe des weniger kostenaufwendigen Verfahrens des atmosphärischen Plasmaspritzens aufgebracht, obwohl auch andere bekannte Auftragungsverfahren angewendet werden können. Bei einer bevorzugten Ausführungsform, die in 1 dargestellt ist, umfasst die Wärmedämmschicht eine zuerst aufgebrachte untere Schicht 20 und eine darüber befindliche obere Schicht 22, wobei sich die beiden Schichten wenigstens hinsichtlich der Dichte unterscheiden. Die untere Schicht 20 besitzt eine erste Dichte, welche kleiner als die Dichte der oberen Schicht 22 ist. Bei einer Ausführungsform kann die untere Schicht 20 eine Dichte aufweisen, die 80–95% der theoretischen Dichte beträgt, und die obere Schicht 22 kann eine Dichte aufweisen, die wenigstens 95% der theoretischen Dichte beträgt. Die theoretische Dichte ist ein Wert, der in der Technik bekannt ist oder der mit Hilfe bekannter Verfahren bestimmt werden kann, wie etwa mittels Quecksilber-Porosimetrie oder durch den visuellen Vergleich von mikrofotografischen Aufnahmen von Werkstoffen mit bekannten Dichten. Die Porosität und die Dichte einer Schicht aus Wärmedämmschichtmaterial können mit Hilfe bekannter Herstellungsverfahren gesteuert werden, wie etwa durch Einlagerung kleiner Mengen von porenbildenden Materialien wie etwa Polyester während des Prozesses der Auftragung. Die untere Schicht 20 gewährleistet infolge der isolierenden Wirkung der Poren 24 bessere Wärmedämmungseigenschaften pro Dickeneinheit als die obere Schicht 22. Die untere Schicht 20 ist außerdem aufgrund der durch die Poren 24 bewirkten Verformungstoleranz und aufgrund der isolierenden Wirkung der oberen Schicht 22 vergleichsweise weniger empfindlich gegenüber interlaminarem Versagen (Abplatzen) infolge der Temperaturdifferenz in Richtung der Tiefe der Schicht. Die obere Schicht 22 ist weniger empfindlich gegenüber Verdichtung und einem dadurch verursachten möglichen interlaminaren Versagen, da sie eine relativ geringe Anzahl von Poren 24 enthält, wodurch die Größe des Verdichtungseffektes begrenzt wird. Die Kombination einer weniger dichten unteren Schicht 20 und einer dichteren oberen Schicht 22 gewährleistet wünschenswerte Eigenschaften für eine Hochtemperaturumgebung. Bei anderen Ausführungsformen kann die Dichte der Wärmedämmschicht allmählich von einer höheren Dichte in der Nähe der Oberseite der Schicht zu einer geringeren Dichte in der Nähe der Unterseite der Schicht übergehen, anstatt sich in diskreten Schichten zu ändern.
Die dichte obere Schicht 22 weist dann infolge ihres niedrigeren Porengehalts eine vergleichsweise geringere thermische Verformbarkeitstoleranz auf. Bei den sehr hohen Temperaturen mancher moderner Verbrennungsturbinen kann in der oberen Schicht 22 in dem Zustand, in dem sie aufgebracht wurde, aufgrund des Temperaturgradienten entlang der Dicke (Tiefe) dieser Schicht ein unannehmbarer Grad von interlaminaren Spannungen erzeugt werden. Deshalb wird die obere Schicht 22 segmentiert, um, wie in 1 dargestellt, für eine zusätzliche Zugentlastung in dieser Schicht zu sorgen. Durch ein Verfahren der Lasergravierung wird in der oberen Schicht 22 eine Vielzahl von Segmenten 26 gebildet, die durch eine Vielzahl von Zwischenräumen 28 begrenzt werden. Die Zwischenräume 28 ermöglichen der oberen Schicht 22, einem großen Temperaturgradienten entlang ihrer Dicke ohne Ausfall standzuhalten, da die Dehnung/Kontraktion des Materials zumindest teilweise durch Änderungen der Größe der Zwischenräume kompensiert werden kann, was die gespeicherte Gesamtenergie pro Segment verringert. Die Zwischenräume 28 können so geformt sein, dass sie sich bis zur vollen Tiefe der oberen Schicht 22 erstrecken, oder bis zu einer größeren oder geringeren Tiefe, wie es für eine spezielle Anwendung zweckmäßig sein kann. Vorzugsweise erstrecken sich die Zwischenräume nicht bis hinunter zur Haftvermittlerschicht 16, um zu vermeiden, dass die Haftvermittlerschicht der Einwirkung der Umgebung der Komponente 10 ausgesetzt wird. Die Wahl einer speziellen Strategie der Segmentierung, was die Größe und Form der Segmente und die Tiefe der Zwischenräume 28 anbelangt, variiert von Anwendung zu Anwendung; sie sollte jedoch so erfolgen, dass sie zu einem Spannungsniveau innerhalb der Wärmedämmschicht 18 führt, welches in allen Tiefen der Wärmedämmschicht innerhalb der zulässigen Werte für die vorgegebene Temperaturumgebung liegt. Wesentlich ist, dass die Anwendung einer lasergravierten Segmentierung ermöglicht, dass die Wärmedämmschicht mit einer größeren Dicke aufgebracht wird, als es andernfalls ohne eine solche Segmentierung möglich wäre. Bei den gegenwärtigen Technologien werden keramische Wärmedämmschichten mit Dicken von ca. 12 Millizoll (0,305 mm) verwendet, während mit den hier beschriebenen Verfahren Dicken von bis zu etwa 50 Millizoll (1,27 mm) denkbar sind.
Um eine geeignete Strategie der Segmentierung zu wählen, können bekannte Modellierungsverfahren der Finite-Elemente-Analyse angewendet werden. 2 zeigt die prozentuale Größe der Spannungsentlastung in Abhängigkeit vom Verhältnis des Abstands der Zwischenräume zur Tiefe der Zwischenräume für ein typisches Wärmedämmschicht-System unter Verwendung der folgenden Werte für die Eigenschaften der Schicht und des Trägermaterials: E_{Trägermaterial} = 200 GPa, E_TBC = 40 GPa, Tiefe der Zwischenräume (d) = 200 Mikrometer, Abstand der Mittellinien der Zwischenräume (S) = 1000 Mikrometer und Dicke der Schicht (D) = 300 Mikrometer. 2 zeigt die prozentuale Größe der Spannungsentlastung (als prozentualen Wert, bezogen auf die Spannung für eine ähnliche Komponente, die keine Segmentierung aufweist) in einem Punkt A an der Oberfläche der Wärmedämmschicht in der Mitte zwischen zwei Zwischenräumen als Funktion des Verhältnisses der Tiefe der Zwischenräume zur Dicke der Wärmedämmschicht (d/D) für mehrere verschiedene Werte des Abstands der Mittellinien der Zwischenräume (S). Zum Beispiel kann vorhergesagt werden, wie aus der Betrachtung der in 2 grafisch dargestellten Daten zu entnehmen ist, dass ein Abstand der Zwischenräume von S = 1000 Mikrometern für einen Zwischenraum, der sich über ca. zwei Drittel der Tiefe der Schicht erstreckt, eine Verringerung der Spannung im Punkt A um ca. 50% bewirkt.
Zum Eingravieren der Zwischenräume 28, nachdem die Wärmedämmschicht 18 aufgebracht worden ist, wird Laserenergie bevorzugt. Die Laserenergie wird auf die Oberseite 30 der Wärmedämmschicht gerichtet, um das Material in einem lokal begrenzten Bereich auf eine Temperatur zu erhitzen, die ausreichend ist, um eine Verdampfung und ein Entfernen des Materials bis zu einer gewünschten Tiefe zu verursachen. Die Ränder des Materials der Wärmedämmschicht, welche die Zwischenräume 28 begrenzen, weisen dann an den Stellen, an denen das Material bis knapp unter die für die Verdampfung erforderliche Temperatur erhitzt worden ist, einen begrenzten neu gegossenen Oberflächenbereich auf. Die Geometrie der Zwischenräume 28 kann gesteuert werden, indem die Parameter der Lasergravierung gesteuert werden. Für Anwendungen bei Turbinenschaufelblättern kann für die Breite des Zwischenraumes an der Oberfläche 30 der Wärmedämmschicht 18 ein Wert von nicht mehr als 50 Mikrometern und vorzugsweise nicht mehr als 25 Mikrometern gewählt werden. Solche Größen des Zwischenraumes stellen die gewünschte mechanische Zugentlastung sicher und haben gleichzeitig nur eine minimale Auswirkung auf den aerodynamischen Wirkungsgrad. Für spezielle Abschnitte der Oberfläche einer Komponente können größere oder kleinere Breiten des Zwischenraums gewählt werden, in Abhängigkeit von der Empfindlichkeit des aerodynamischen Designs und den vorhergesagten thermischen Bedingungen. Der Vorgang der Lasergravierung bietet dem Konstrukteur einer Komponente Flexibilität, indem er ihm ermöglicht, die Strategie der Segmentierung zu wählen, die für einen bestimmen Bereich einer Komponente am geeignetsten ist. In Bereichen mit höheren Temperaturen kann die Öffnungsweite der Zwischenräume breiter gewählt werden als in Bereichen mit niedrigeren Temperaturen. Eine Komponente kann so konstruiert und hergestellt werden, dass sie an verschiedenen Abschnitten ein und derselben Komponente unterschiedliche Abstände zwischen den Zwischenräumen (S) aufweist.
Ferner kann ein hafthemmendes Material wie etwa Tonerde oder Yttrium-Aluminium-Oxid im Inneren der Zwischenräume an den Seitenwänden der Zwischenräume aufgebracht werden, um die Möglichkeit eines dauerhaften Verschließens der Zwischenräume durch Sintern während eines langen Betriebs bei hohen Temperaturen zu verringern. Die 3A–3C zeigen eine Teilschnittansicht eines Bestandteils 32 einer Verbrennungsturbine während aufeinanderfolgender Etappen der Herstellung. Ein Trägermaterial 34 wird wie oben beschrieben mit einer keramischen Wärmedämmschicht mit variabler Dichte beschichtet. Durch Lasergravieren der Oberfläche 40 des keramischen Materials wird eine Vielzahl von Zwischenräumen 38 gebildet, wie in 3A dargestellt. Eine Schicht eines hafthemmenden Materials 42 wird mit irgendeinem bekannten Aufbringungsverfahren, wie etwa Sol-Gel-Verfahren, CVD (chemische Dampfphasenabscheidung), PVD (physikalische Dampfphasenabscheidung) usw., auf die Oberfläche 40 der Keramik aufgebracht, wobei auch die Zwischenräume 38 gefüllt werden, wie in 3B dargestellt. Das hafthemmende Material 42, das sich, nachdem es aufgebracht wurde, in einem amorphen Zustand befindet, wird dann einem in der Technik bekannten Wärmebehandlungsverfahren unterzogen, um ihm eine kristalline Struktur zu verleihen, wodurch sein Volumen verringert wird und die Struktur von 3C resultiert. Das Vorhandensein des hafthemmenden Materials 42 in den Zwischenräumen 38 gewährleistet einen verbesserten Schutz gegen das Sintern des Materials und ein dadurch verursachtes Verschließen der Zwischenräume 38.
Die Erfinder haben festgestellt, dass es zweckmäßig ist, zum Eingravieren der Zwischenräume der vorliegenden Erfindung einen YAG-Laser zu verwenden. Ein YAG-Laser hat eine Wellenlänge von ca. 1,6 Mikrometern und stellt daher ein feineres Schneidwerkzeug dar, als es ein Kohlendioxidlaser wäre, welcher eine Wellenlänge von ca. 10,1 Mikrometern besitzt. Es wurde festgestellt, dass eine Leistung von ca. 20–200 Watt und eine Geschwindigkeit der Bewegung des Strahls im Intervall 5–600 mm/s vorteilhaft sind, um ein typisches keramisches Wärmedämmschichtmaterial zu schneiden. Die Laserenergie wird mit Hilfe einer Linse mit einer Brennweite von ca. 25–240 mm auf die Oberfläche des Materials der Schicht fokussiert. Normalerweise können 2–12 Durchgänge über die Oberfläche angewendet werden, um die gewünschte Tiefe eines Zwischenraumes herzustellen. Die Erfinder haben festgestellt, dass eine im Wesentlichen U-förmige Geometrie des Bodens im Zwischenraum hergestellt werden kann, indem über einem vorhandenen lasergeschnittenen Zwischenraum ein zweiter Durchgang mit dem Laser realisiert wird, wobei der zweite Durchgang mit einem breiteren Ausleuchtungsbereich (Footprint) des Strahls erfolgt als der erste Durchgang. Der breitere Ausleuchtungsbereich des Strahls kann erzeugt werden, indem der Laser einfach weiter von der Oberfläche der Keramik weg bewegt wird oder indem eine Linse mit einer größeren Brennweite verwendet wird. Auf diese Weise dringt die Energie vom zweiten Durchgang in der Tendenz weniger tief in die Keramik ein, erhitzt und verdampft jedoch einen breiteren Streifen Material in der Nähe des Bodens des Zwischenraumes, wodurch eine im Wesentlichen U-förmige Geometrie des Bodens geformt wird, anstelle einer im Wesentlichen V-förmigen Geometrie des Bodens, wie sie bei einem ersten Durchgang gebildet werden kann. Dieser Vorgang ist in den 4A und 4B dargestellt. In einer Schicht aus keramischem Material 46 wird ein Zwischenraum 44 hergestellt. In 4A wird ein erster Durchgang der Laserenergie 48 mit einer ersten Brennweite und einer ersten Größe des Ausleuchtungsbereiches verwendet, um den Zwischenraum 44 zu schneiden. Der Zwischenraum 44 weist nach diesem Durchgang von Laserenergie eine im Wesentlichen V-förmige Geometrie des Bodens 50 auf. In 4B wird ein zweiter Durchgang von Laserenergie 52 mit einer zweiten Brennweite, die größer als die erste Brennweite ist, und einer zweiten Größe des Ausleuchtungsbereiches, die größer als die erste Größe des Ausleuchtungsbereiches ist, verwendet, um den Boden des Zwischenraumes 44 zu einem Boden mit im Wesentlichen U-förmiger Geometrie 54 zu erweitern. Die gestrichelte Linie in 4B bezeichnet die Form des Zwischenraumes von 4A, und man sieht, dass der breitere Laserstrahl in der Tendenz Material von den Wänden des Zwischenraums 44 verdampft, ohne den Zwischenraum wesentlich zu vertiefen, wodurch er ihm eine weniger spitze Geometrie des Bodens verleiht. Die Breite des Zwischenraumes 44 an der Oberseite 56 in 4A ist infolge der natürlichen Wärmekonvektion von unten nach oben bei der Herstellung des Zwischenraumes 44 größer als die Breite des Strahls von Laserenergie 48. Daher kann die Breite des Strahls 52 so gewählt werden, dass sie deutlich größer als die des Strahls 48 ist, ohne in der Nähe der Oberseite 56 auf die Seitenwände des Zwischenraumes 44 aufzutreffen. Da die Energiedichte des Strahls 52 kleiner ist als die des Strahls 48, bewirkt der Strahl 52, dass mehr Material von den Seiten des Zwischenraumes 44 entfernt wird als vom Boden des Zwischenraumes, wodurch die Geometrie des Bodens ein wenig abgerundet wird. Eine solche U-förmige Geometrie des Bodens hat eine geringere Spannungskonzentration am Boden des Zwischenraumes 44 zur Folge, als es bei einer im Wesentlichen V-förmigen Geometrie mit derselben Tiefe der Fall wäre.
Die Geometrie des Bodens des Zwischenraumes 44 kann außerdem durch die Impulsfrequenz des Laserstrahls 52 beeinflusst werden. Es ist bekannt, dass Laserenergie als kontinuierlicher Strahl oder als gepulster Strahl geliefert werden kann. Die Impulsfrequenz kann einen beliebigen gewünschten Wert haben, zum Beispiel im Intervall 1–20 kHz. Es ist anzumerken, dass diese Frequenz nicht mit der Frequenz des Laserlichtes selbst verwechselt werden darf. Bei einem gegebenen Wert der Leistung bewirkt eine langsamere Frequenz der Impulse, dass in der Tendenz tiefer in das keramische Material 46 geschnitten wird, als wenn dieselbe Energiemenge mit einer höheren Impulsfrequenz zugeführt würde. Demzufolge ist die Impulsfrequenz eine Variable, die mit dem Ziel gesteuert werden kann, die Form der Geometrie des Bodens des Zwischenraumes 44 zu beeinflussen. Bei einer Ausführungsform sehen die Erfinder vor, dass ein erster Durchgang der Laserenergie 48 mit einer ersten Impulsfrequenz verwendet wird, um den Zwischenraum 44 zu schneiden. Der Zwischenraum 44 kann nach diesem Durchgang von Laserenergie eine im Wesentlichen V-förmige Geometrie des Bodens 50 aufweisen. Ein zweiter Durchgang von Laserenergie 52 mit einer zweiten Impulsfrequenz, die größer als die erste Impulsfrequenz ist, wird verwendet, um den Boden des Zwischenraumes 44 zu einer im Wesentlichen U-förmigen Geometrie des Bodens 54 zu verbreitern. Die gestrichelte Linie in 4B bezeichnet die Form des Zwischenraumes von 4A, und es ist zu erwarten, dass ein schneller gepulster Laserstrahl in der Tendenz Material von den Wänden des Zwischenraumes 44 verdampfen würde, ohne dass eine entsprechende Vertiefung des Zwischenraumes erfolgt, wodurch dem Zwischenraum eine weniger spitze Geometrie des Bodens verliehen wird. Die Geometrie des Bodens 54 kann ferner gesteuert werden, indem eine Kombination von Ausleuchtungsbereich des Laserstrahls und Impulsfrequenz sowie andere Schneidparameter gesteuert werden.
Obwohl hier die bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dargestellt und beschrieben wurden, ist es offensichtlich, dass diese Ausführungsformen lediglich als Beispiel dienen.

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Komponente zur Verwendung in einer Hochtemperaturumgebung, so dass die gewünschte mechanische Spannungsentlastung gewährleistet wird, während es gleichzeitig eine minimale Auswirkung auf den aerodynamischen Wirkungsgrad hat, wobei das Verfahren umfasst: Vorsehen eines Trägermaterials, das eine Oberfläche aufweist; Aufbringen einer Schicht aus keramischem Isoliermaterial auf die Oberfläche des Trägermaterials, wobei das aufgebrachte keramische Isoliermaterial einen ersten Porenanteil in einer unteren Schicht, die sich in der Nähe der Oberfläche des Trägermaterials befindet, und einen zweiten Porenanteil, der kleiner als der erste Porenanteil ist, in einer oberen Schicht, die sich in der Nähe der Oberseite der Schicht des keramischen Isoliermaterials befindet, aufweist; und Richten von Laserenergie auf das keramische Isoliermaterial, um die Oberseite der Schicht des keramischen Isoliermaterials zu segmentieren.
Verfahren nach Anspruch 1, welches ferner das Steuern der Laserenergie umfasst, so dass in der Oberseite der Schicht des keramischen Isoliermaterials Segmente gebildet werden, die durch Zwischenräume von nicht mehr als 50 Mikrometern getrennt sind.
Verfahren nach Anspruch 1, welches ferner das Steuern der Laserenergie umfasst, so dass in der Oberseite der Schicht des keramischen Isoliermaterials Segmente gebildet werden, die durch Zwischenräume von nicht mehr als 25 Mikrometern getrennt sind.
Verfahren nach Anspruch 1, welches ferner das Steuern der Laserenergie umfasst, so dass in der Oberseite der Schicht des keramischen Isoliermaterials Segmente gebildet werden, die durch Zwischenräume getrennt sind, die eine im Wesentlichen U-förmige Geometrie des Bodens aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 1, welches ferner das Aufbringen der Schicht des keramischen Isoliermaterials umfasst, so dass sie einen zweiten Porenanteil von nicht mehr als 5% aufweist.
Verfahren nach Anspruch 5, welches ferner das Aufbringen der Schicht des keramischen Isoliermaterials umfasst, so dass sie einen ersten Porenanteil im Bereich von 5–20% aufweist.
Turbinenkomponente, welche umfasst: ein Trägermaterial, das eine Oberfläche aufweist eine auf die Oberfläche des Trägermaterials aufgebrachte Schicht aus keramischem Isoliermaterial, wobei das keramische Isoliermaterial einen ersten Porenanteil in einer unteren Schicht, die sich in der Nähe der Oberfläche des Trägermaterials befindet, und einen zweiten Porenanteil, der kleiner als der erste Porenanteil ist, in einer oberen Schicht, die sich in der Nähe der Oberseite der Schicht des keramischen Isoliermaterials befindet, aufweist und eine Vielzahl von lasergravierten Zwischenräumen, die Segmente in der Oberseite der Schicht des keramischen Isoliermaterials begrenzen, so dass die gewünschte mechanische Spannungsentlastung gewährleistet wird, während sie gleichzeitig eine minimale Auswirkung auf den aerodynamischen Wirkungsgrad hat.
Komponente nach Anspruch 7, welche ferner umfasst, dass die Zwischenräume an der Oberfläche der Schicht des keramischen Isoliermaterials eine Breite von nicht mehr als 50 Mikrometern haben.
Komponente nach Anspruch 7, welche ferner umfasst, dass die Zwischenräume an der Oberfläche der Schicht des keramischen Isoliermaterials eine Breite von nicht mehr als 25 Mikrometern haben.
Komponente nach Anspruch 7, welche ferner umfasst, dass die Zwischenräume eine im Wesentlichen U-förmige Geometrie des Bodens aufweisen.
Komponente nach Anspruch 7, welche ferner umfasst, dass die Schicht des keramischen Isoliermaterials einen zweiten Porenanteil von nicht mehr als 5% aufweist.
Komponente nach Anspruch 11, welche ferner umfasst, dass die Schicht des keramischen Isoliermaterials einen ersten Porenanteil im Bereich von 5–20% aufweist.
Komponente nach Anspruch 7, wobei die Zwischenräume sich durch die gesamte Dicke der oberen Schicht der Schicht des keramischen Isoliermaterials hindurch erstrecken.
Komponente zur Verwendung als Schaufelblatt in einer Hochtemperaturumgebung, wobei die Vorrichtung umfasst: ein Trägermaterial, das eine Oberfläche aufweist; eine auf die Oberfläche des Trägermaterials aufgebrachte Schicht eines keramischen Isoliermaterials; und eine Vielzahl von lasergravierten Zwischenräumen, die Segmente in einer Oberseite der Schicht aus keramischem Isoliermaterial definieren, wobei die Zwischenräume an der Oberseite eine Breite von nicht mehr als 50 Mikrometern aufweisen, und dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht des keramischen Isoliermaterials einen ersten Porenanteil in einer unteren Schicht, die sich in der Nähe der Oberfläche des Trägermaterials befindet, und einen zweiten Porenanteil, der kleiner als der erste Porenanteil ist, in einer oberen Schicht, die sich in der Nähe der Oberseite der Schicht des keramischen Isoliermaterials befindet, aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 14, welche ferner umfasst, dass die Zwischenräume eine im Wesentlichen U-förmige Geometrie des Bodens aufweisen.
Vorrichtung nach Anspruch 14, wobei das Trägermaterial eine Laufschaufel oder Leitschaufel einer Verbrennungsturbine ist.
Vorrichtung nach Anspruch 14, wobei das keramische Isoliermaterial Zirkoniumoxid oder ein Pyrochlor umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 14, wobei die lasergravierten Zwischenräume mit einem YAG-Laser hergestellt werden, der eine Wellenlänge von weniger als ca. 3 Mikrometern aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 19, wobei der Laser eine Linse verwendet, die eine Brennweite von ca. 25–160 mm aufweist, und 2–12 Durchgänge über die Oberfläche des Trägermaterials ausführt.