EP1382707A1 - Schichtsystem - Google Patents

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EP1382707A1
EP1382707A1 EP02015955A EP02015955A EP1382707A1 EP 1382707 A1 EP1382707 A1 EP 1382707A1 EP 02015955 A EP02015955 A EP 02015955A EP 02015955 A EP02015955 A EP 02015955A EP 1382707 A1 EP1382707 A1 EP 1382707A1
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EP
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layer
thermal barrier
barrier coating
layer system
intermediate layer
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EP02015955A
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Jens Birkner
Werner Dr. Stamm
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Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Publication date
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    • C23C28/3455—Coatings combining at least one metallic layer and at least one inorganic non-metallic layer including at least one inorganic non-metallic material layer, e.g. metal carbide, nitride, boride, silicide layer and their mixtures, enamels, phosphates and sulphates with at least one oxide layer with a refractory ceramic layer, e.g. refractory metal oxide, ZrO2, rare earth oxides or a thermal barrier system comprising at least one refractory oxide layer
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C23C4/00—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge
    • C23C4/12—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge characterised by the method of spraying
    • C23C4/134—Plasma spraying

Definitions

  • the invention relates to a layer system according to the preamble of claim 1.
  • thermal barrier coatings have been developed on thermally stressed components, for example made of superalloys, which are applied alone the high inlet temperatures in the long term no longer withstand can.
  • the ceramic thermal barrier coating offers the advantage of a high Temperature / corrosion resistance due to their ceramic Properties, and the metallic substrate offers the advantage the good mechanical properties in this composite or shift system.
  • an adhesion or corrosion protection layer of composition MCrAlY as the main constituent is applied between the substrate and the ceramic thermal barrier coating, where M means that one of the metals nickel, chromium or iron is used.
  • M means that one of the metals nickel, chromium or iron is used.
  • the composition of these MCrAlY layers can vary.
  • thermal barrier coating on the anti-corrosion layer or MCrAlY layer during application or does not stick well and / or flakes off during operation and sprayed by non-melting coating method must become.
  • the object is achieved by a layer system according to claim 1 solved.
  • FIG. 1 shows a layer system 1 according to the invention.
  • the layer system 1 has a substrate 4.
  • the substrate 4 is, for example, a nickel- or cobalt-based superalloy.
  • at least one intermediate layer 7 is present, which serves as a corrosion, oxidation or adhesion-promoting layer and consists of an intermediate layer material.
  • a single intermediate layer 7 is used. This is, for example, a so-called MCrAlY layer, where M is an element of the group iron, cobalt or nickel.
  • MCrAlY layer where M is an element of the group iron, cobalt or nickel.
  • the thermal barrier coating 10 is, for example, ceramic and consists, for example, of partially or fully stabilized zirconium oxide with up to 8% yttrium oxide or other rare earth oxides.
  • the thermal insulation layer 10 contains a total of 5-60 vol% of the material of the intermediate layer 7, whereby a good adhesion of the thermal barrier coating 10 is ensured to the intermediate layer 7.
  • the thermal barrier coating 10 begins at the interface at which the material of the thermal barrier coating 10 forms the matrix.
  • the layers 7, 10 can be applied by various types of plasma spraying, in particular by atmospheric plasma spraying (APS), or by cold gas spraying.
  • APS atmospheric plasma spraying
  • cold gas spraying the particles of the material to be applied to the layers 7, 10 as well as the substrate 4 during manufacture have a low temperature, ie they do not form a plasma.
  • the coated particles are applied at high speeds up to 1000m / s on the substrate 4, whereby they connect with each other.
  • a metallic constituent is necessary. This green body layer thus produced may still be sintered or heat treated to allow improved resistance to external mechanical stress.
  • zirconia instead of zirconia, other ceramic materials may be used be used.
  • FIG. 2 shows a further layer system 1 according to the invention, in which the concentration of the intermediate layer material 7 in the thermal barrier coating 10, for example, continuously decreases, starting from an interface 8 between the intermediate layer 7 and the thermal barrier coating 10 to an outer surface 11 of the thermal barrier coating 10.
  • the proportion of the intermediate layer material 7 may also be constant at 0vol%.
  • the thermal barrier coating 10 begins at the interface at which the material of the thermal barrier coating 10 forms the matrix.
  • the gradient of the material composition in the thermal barrier coating can be produced in various ways.
  • plasma spraying more and more material of the thermal barrier coating 10 is continuously added to the plasma jet which directs the particles onto the substrate 4 from an initial mixture of the various materials of the layers 7, 10 and / or less or less continuously or discontinuously added to the intermediate layer 7 material.
  • two burners ie two separate plasma jets or a plasma jet and a cold gas jet for the two different materials.
  • FIG. 3 shows a further exemplary embodiment of a layer system 1 according to the invention.
  • the layer system 1 according to the invention is constructed, for example, according to FIG. 1 or 2, wherein a first partial layer 13 of the thermal barrier coating 10 has been applied by cold gas spraying.
  • this cold gas-sprayed sub-layer 13 of the thermal barrier coating 10 is still a second sub-layer 16 of the thermal barrier coating 10 of the same material or with a modified composition by means of atmospheric plasma spraying or by other plasma spray applied (in vacuo, ..).
  • the concentration of the metallic Materials towards the outside in the thermal barrier coating 10 should decrease during the application with the increasing Coating time, the temperature of the particle beam continuously to increase until, for example, a plasma is generated.
  • interlayer material 7 By arranging interlayer material 7 in the thermal barrier coating 10, the expansion coefficients of the layers 7, 10 are matched to each other, so that there is no or little thermal stress between the layers 7, 10 when heated, whereby spalling is prevented. This applies in particular when there is a graded or continuous transition of the layers 7, 10. In particular, even porous layers 7, 10 are produced in order to achieve an expansion tolerance, because a porosity from 5% by volume can influence the coefficient of expansion and the modulus of elasticity.
  • FIG. 4 shows a perspective view of a moving blade as an example of a layer system 1 which extends along a longitudinal axis 19.
  • the rotor blade 1 has, along the longitudinal axis 19, successively a fastening region 22, a blade platform 25 adjacent thereto and an airfoil region 28.
  • a blade root 31 is formed, which serves for fastening the blade 1 to a shaft of a turbomachine, also not shown.
  • the turbine blade 1 is exposed with its airfoil region 28 within a gas turbine to high temperatures and is therefore protected against oxidation and heat by a layer system 1 according to the invention.

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Abstract

Schichtsysteme nach dem Stand der Technik weisen oft eine schlechte Haftung zwischen den verschiedenen Schichten auf. Dies führt dazu, dass sich die Schichten voneinander lösen und das darunterliegende Substrat geschädigt wird. Ein erfindungsgemässes Schichtsystem (1) weist eine Wärmedämmschicht (10) auf, die zumindest teilweise Material der darunterliegenden Zwischenschicht (7) aufweist. <IMAGE>

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Schichtsystem gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
In heutigen modernen Energieerzeugungsanlagen, wie z.B. Gasturbinenanlagen, spielt der Wirkungsgrad eine wichtige Rolle, weil dadurch die Kosten für den Betrieb der Gasturbinenanlage reduziert wird. Eine Möglichkeit, den Wirkungsgrad zu erhöhen und damit die Betriebskosten zu reduzieren, besteht darin, die Einlasstemperaturen eines Verbrennungsgases innerhalb einer Gasturbine zu erhöhen.
Aus diesem Grund wurden keramische Wärmedämmschichten entwickelt, die auf thermisch belasteten Bauteilen, beispielsweise aus Superlegierungen, aufgebracht werden, die alleine den hohen Einlasstemperaturen auf Dauer nicht mehr Stand halten können.
Die keramische Wärmedämmschicht bietet den Vorteil einer hohen Temperatur/Korrosionsresistenz aufgrund ihrer keramischen Eigenschaften, und das metallische Substrat bietet den Vorteil der guten mechanischen Eigenschaften in diesem Verbund oder Schichtsystem.
Typischerweise ist zwischen dem Substrat und der keramischen Wärmedämmschicht eine Haftvermittlungs- oder Korrosionsschutzschicht der Zusammensetzung MCrAlY als Hauptbestandteil aufgebracht, wobei M bedeutet, dass ein Metall aus der Gruppe Nickel, Chrom oder Eisen verwendet wird.
Die Zusammensetzung dieser MCrAlY-Schichten kann variieren.
Häufig kommt es dazu, dass die Wärmedämmschicht auf der Korrosionsschutzschicht oder MCrAlY-Schicht beim Aufbringen oder während des Betriebs nicht gut haftet und/oder abplatzt und durch nichtaufschmelzende Beschichtungsverfahren nachgespritzt werden muss.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, dieses Problem zu überwinden.
Die Aufgabe wird durch ein Schichtsystem gemäss Anspruch 1 gelöst.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Schichtsystems sind in den Unteransprüchen aufgeführt.
In den Figuren sind Ausführungsbeispiele des erfindungsgemässen Schichtsystems dargestellt.
Es zeigen:
  • Figur 1 ein erstes erfindungsgemässes Schichtsystem,
  • Figur 2 ein zweites erfindungsgemässes Schichtsystem mit einem Konzentrationsgradienten,
  • Figur 3 ein weiteres erfindungsgemässes Schichtsystem und
  • Figur 4 ein Anwendungsbeispiel für ein erfindungsgemässes Schichtsystem.
    • Figur 1 zeigt ein erfindungsgemässes Schichtsystem 1.
    Das Schichtsystem 1 weist ein Substrat 4 auf. Das Substrat 4 ist beispielsweise eine Nickel- oder Kobalt-basierte Superlegierung.
    Auf dem Substrat 4 ist zumindest eine Zwischenschicht 7 vorhanden, die als Korrosions-, Oxidations- oder Haftvermittlungsschicht dient und aus einem Zwischenschichtmaterial besteht. Hier wird eine einzige Zwischenschicht 7 verwendet.
    Dies ist beispielsweise eine sogenannte MCrAlY-Schicht, wobei M ein Element der Gruppe Eisen, Kobalt oder Nickel ist.
    Auf die äusserste Grenzfläche der Zwischenschicht 7 ist eine Wärmedämmschicht 10 aufgebracht.
    Die Wärmedämmschicht 10 ist beispielsweise keramisch und besteht bspw. aus teil- oder vollstabilisiertem Zirkonoxid mit bis zu 8% Yttriumoxid oder anderen Seltenerdoxiden.
    Die Wärmdämmschicht 10 enthält insgesamt 5 - 60 vol% des Materials der Zwischenschicht 7, wodurch eine gute Anhaftung der Wärmedämmschicht 10 an die Zwischenschicht 7 gewährleistet ist. Die Wärmedämmschicht 10 beginnt an der Grenzfläche, an der das Material der Wärmedämmschicht 10 die Matrix bildet.
    Die Schichten 7, 10 können durch verschiedene Arten des Plasmaspritzens, insbesondere durch atmosphärisches Plasmaspritzen (APS), oder durch Kaltgasspritzen aufgebracht werden.
    Beim Kaltgasspritzen weisen die Partikel des aufzubringenden Materials der Schichten 7, 10 ebenso wie das Substrat 4 während der Herstellung eine geringe Temperatur auf, d.h. sie bilden kein Plasma.
    Um eine Verschweissung bzw. eine Verankerung der Teilchen miteinander zu erreichen, werden die aufgetragenen Partikel mit hohen Geschwindigkeiten bis zu 1000m/s auf das Substrat 4 aufgebracht, wodurch sie sich miteinander verbinden.
    Um eine Verschweissung zu erreichen ist die Zugabe eines metallischen Bestandteils notwendig.
    Diese so hergestellte Grünkörperschicht kann noch gesintert oder wärmebehandelt werden, um eine verbesserte Beständigkeit gegenüber einer äusseren mechanischen Belastung zu ermöglichen.
    Anstatt des Zirkonoxids können auch andere keramische Materialien verwendet werden.
    Figur 2 zeigt ein weiteres erfindungsgemässes Schichtsystem 1, bei dem die Konzentration des Zwischenschichtmaterials 7 in der Wärmedämmschicht 10 beginnend von einer Grenzfläche 8 zwischen der Zwischenschicht 7 und der Wärmedämmschicht 10 bis hin zu einer äusseren Oberfläche 11 der Wärmedämmschicht 10 bspw. kontinuierlich abnimmt. In einem Bereich 12 unterhalb der äusseren Oberfläche 11 innerhalb einer gewissen Schichtdicke kann der Anteil des Zwischenschichtmaterials 7 auch konstant bei 0vol% liegen.
    Die Wärmedämmschicht 10 beginnt an der Grenzfläche, an der das Material der Wärmedämmschicht 10 die Matrix bildet.
    Der Gradient der Materialzusammensetzung in der Wärmedämmschicht kann auf verschiedene Art und Weise erzeugt werden.
    Beim Plasmaspritzen wird in den Plasmastrahl, der die Partikel auf das Substrat 4 lenkt, von einer Anfangsmischung der verschiedenen Materialien der Schichten 7, 10 kontinuierlich mehr und mehr Material der Wärmedämmschicht 10 hinzugefügt und/oder kontinuierlich oder diskontinuierlich weniger Material der Zwischenschicht 7 hinzugefügt.
    Ebenso ist es möglich zwei Brenner, also zwei separate Plasmastrahlen oder ein Plasmastrahl und einen Kaltgasstrahl für die beiden unterschiedlichen Materialien zu verwenden.
    Figur 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemässen Schichtsystems 1.
    Das erfindungsgemässe Schichtsystem 1 ist beispielsweise gemäss Figur 1 oder 2 aufgebaut, wobei eine erste Teilschicht 13 der Wärmedämmschicht 10 durch Kaltgasspritzen aufgebracht worden ist.
    Auf diese kaltgasgespritzte Teilschicht 13 der Wärmedämmschicht 10 wird noch eine zweite Teilschicht 16 der Wärmedämmschicht 10 des gleichen Materials oder mit veränderter Zusammensetzung mittels atmosphärischem Plasmaspritzen oder mittels anderer Plasmaspritzarten (im Vakuum,..) aufgebracht.
    Es ist bspw. auch möglich, wenn die Konzentration des metallischen Materials nach aussen hin in der Wärmedämmschicht 10 abnehmen soll, während der Aufbringung mit der zunehmenden Beschichtungszeit, die Temperatur des Teilchenstrahls kontinuierlich zu erhöhen bis bspw. ein Plasma erzeugt wird.
    Durch die Anordnung von Zwischenschichtmaterial 7 in der Wärmedämmschicht 10 werden die Ausdehnungkoeffizienten der Schichten 7, 10 aneinander angeglichen, so dass es bei Erwärmung gar nicht oder kaum zu thermischen Spannungen zwischen den Schichten 7, 10 kommt, wodurch ein Abplatzen verhindert wird.
    Dies gilt insbesondere dann, wenn ein gradierter oder kontinuierlicher Übergang der Schichten 7, 10 vorliegt.
    Insbesondere werden auch noch poröse Schichten 7, 10 hergestellt, um eine Dehnungstoleranz zu erreichen, weil eine Porosität ab 5vol% den Ausdehungskoeffizienten und den E-Modul beeinflussen kann.
    Figur 4 zeigt in perspektivischer Ansicht eine Laufschaufel als Beispiel für ein Schichtsystem 1, die sich entlang einer Längsachse 19 erstreckt.
    Die Laufschaufel 1 weist entlang der Längsachse 19 aufeinanderfolgend einen Befestigungsbereich 22, eine daran angrenzende Schaufelplattform 25 sowie einen Schaufelblattbereich 28 auf.
    Im Befestigungsbereich 9 ist ein Schaufelfuss 31 gebildet, der zur Befestigung der Laufschaufel 1 an einer Welle einer ebenfalls nicht dargestellten Strömungsmaschine dient.
    Die Turbinenschaufel 1 ist mit ihrem Schaufelblattbereich 28 innerhalb einer Gasturbine hohen Temperaturen ausgesetzt und ist daher gegen Oxidation und Wärme durch ein erfindungsgemässes Schichtsystem 1 geschützt.

    Claims (11)

    1. Schichtsystem,
      insbesondere Turbinenschaufel,
      das ein Substrat,
      zumindest eine darauf aufliegende Zwischenschicht aus einem Zwischenschichtmaterial und
      eine äußere Wärmedämmschicht aufweist,
      dadurch gekennzeichnet, dass
      das Zwischenschichtmaterial (7) teilweise in der Wärmdämmschicht (10) vorhanden ist.
    2. Schichtsystem nach Anspruch 1,
      dadurch gekennzeichnet, dass
      die Zwischenschicht (7) eine Korrosionsschutzschicht ist.
    3. Schichtsystem nach Anspruch 1,
      dadurch gekennzeichnet, dass
      die Wärmedämmschicht (10) aus Keramik ist.
    4. Schichtsystem nach Anspruch 1 oder 2,
      dadurch gekennzeichnet, dass
      die Korrosionsschutzschicht (7) eine Schicht der Zusammensetzung MCrAlY aufweist,
      wobei M für ein Element der Gruppe Eisen, Kobalt oder Nickel steht.
    5. Schichtsystem nach Anspruch 1 oder 3,
      dadurch gekennzeichnet, dass
      die Wärmedämmschicht (10) als Matrixmaterial Zirkonoxid aufweist.
    6. Schichtsystem nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche,
      dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Schicht (7, 10) durch Kaltgasspritzen aufgebracht worden ist.
    7. Schichtsystem nach Anspruch 1, 3 oder 5,
      dadurch gekennzeichnet, dass
      die Wärmedämmschicht (10) zumindest teilweise durch atmosphärisches Plasmaspritzen aufgebracht worden ist.
    8. Schichtsystem nach Anspruch 1,
      dadurch gekennzeichnet, dass
      die Konzentration des Materials der Zwischenschicht (7) in der Wärmdämmschicht (10) kontinuierlich abnimmt.
    9. Schichtsystem nach Anspruch 1,
      dadurch gekennzeichnet, dass
      das Zwischenschichtmaterial (7) zumindest teilweise metallisch ist.
    10. Schichtsystem nach einem der Ansprüche 1 - 9,
      dadurch gekennzeichnet, dass
      der Anteil des in der Wärmedämmschicht (10) vorhandenen Zwischenschichtmaterials (7) im Bereich von 5 - 60 vol % liegt.
    11. Schichtsystem nach einem der Ansprüche 1 - 9,
      dadurch gekennzeichnet, dass
      die Wärmedämmschicht (10) oder die zumindest eine Zwischenschicht (7) eine Porosität von mehr als 5 vol% aufweisen.
    EP02015955A 2002-07-17 2002-07-17 Schichtsystem Withdrawn EP1382707A1 (de)

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    WO (1) WO2004007787A1 (de)

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