EP1511883A1 - Wärmedämmschicht - Google Patents

Wärmedämmschicht

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Publication number
EP1511883A1
EP1511883A1 EP03752714A EP03752714A EP1511883A1 EP 1511883 A1 EP1511883 A1 EP 1511883A1 EP 03752714 A EP03752714 A EP 03752714A EP 03752714 A EP03752714 A EP 03752714A EP 1511883 A1 EP1511883 A1 EP 1511883A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
matrix material
insulation layer
thermal insulation
layer according
thermal
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP03752714A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Jens Birkner
Werner Stamm
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Siemens Corp
Original Assignee
Siemens AG
Siemens Corp
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Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG, Siemens Corp filed Critical Siemens AG
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Publication of EP1511883A1 publication Critical patent/EP1511883A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C30/00Coating with metallic material characterised only by the composition of the metallic material, i.e. not characterised by the coating process

Definitions

  • the invention relates to an insulation layer according to claim 1.
  • Thermal insulation layers are applied to heat-stressed components, e.g. Turbine blades applied in gas turbines in order to protect a heat-sensitive, for example metallic substrate of these components from heat.
  • the thermal insulation layer consists, for example, of zirconium oxide or partially stabilized zirconium oxide with yttrium oxide.
  • An MCrAlY or diffusion layer is often applied between the insulation layer and the substrate.
  • EP 1 029 101 B1 shows a thermal barrier coating which has the composition LaAl0 3 , ie a perovskite.
  • US Pat. No. 5,310,575 shows a material in which zirconium oxide is mixed in a matrix made of a spinel.
  • GB 745,257 discloses a heat insulation layer, the heat insulation layer being a spinel, a pyrochlore or zirconium oxide.
  • US 5,914,189 discloses a thermal barrier coating which is a mixture of a spinel and calcium zirconate (CaZr0 3 ).
  • the object is achieved by a thermal barrier coating according to claim 1.
  • the thermal barrier coating according to the invention is a mixture of a matrix material such as e.g. Zirconium oxide or aluminum oxide and at least one admixed material that has a reduced sintering potential at the operating temperatures of the thermal barrier coating.
  • Such admixed materials are preferably ceramics from the systems of pyrochlores, such as La 2 Zr 2 0 7 , La 2 Hf 2 0 7 and perovskites, such as CaZr0 3 , LaAl0 3 and spinels, such as MgCr 2 0 4 , MgAl 2 0 , NiAl 2 0 with a volume fraction of 10% and 50%.
  • pyrochlores such as La 2 Zr 2 0 7 , La 2 Hf 2 0 7 and perovskites, such as CaZr0 3 , LaAl0 3 and spinels, such as MgCr 2 0 4 , MgAl 2 0 , NiAl 2 0 with a volume fraction of 10% and 50%.
  • the matrix material consists, for example, of zirconium oxide (Zr0 2 ) or partially stabilized zirconium oxide (Zr0 2 and 7% - 8% yttrium oxide (Y 2 0 3 ) or another ceramic.
  • the admixture with zirconium oxide enables the elongation tolerance to be adjusted in the high temperature range Expansion coefficients of the admixture used For example, but not necessarily above or below the coefficient of expansion of the zirconium oxide layer. If the zirconium oxide matrix is sintered, that is to say if the matrix shrinks, the elongation tolerance is locally reduced in the sub-area predominantly composed of zirconium oxide.
  • particles from the admixtures and the zirconium oxide additionally generate cracks and cavities during use at high temperatures, which compensate for the elongation tolerance lost in the zirconium oxide matrix, since the admixtures do not sinter, i.e. do not shrink, or shrink to a lesser extent, even if the thermal Expansion coefficient is the same.
  • the sintering of the matrix additionally creates cracks and porosities between the matrix and admixture, which compensate for the lost ductility through cracking or porosity.
  • microporosity / microcracks in the poor insulation layer is thus obtained by the admixture with reduced sintering potential and / or different expansion coefficients of the matrix and admixture.
  • the microstructure can be adjusted in such a way that one for the elongation tolerance of the Thermal insulation layer system necessary porosity and reduction of the entanglement of the stem structures is achieved with EBPVD layers.
  • the oxygen conductivity can be reduced, so that oxidation of the MCrAlY layer is also reduced.

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Abstract

Wärmedämmschicht nach dem Stand der Technik auf der Basis von Zirkonoxid versintern bei hohen Temperaturen und verlieren dabei ihre Dehnungstoleranz.Eine erfindungsgemäße Wärmedämmschicht auf der Basis von Zirkonoxid weist Beimischungen auf, die die sich reduzierende Dehnungstoleranz des Zirkonoxids kompensieren.

Description

ärmedämmschicht
Die Erfindung betrifft eine ärmedämmschicht gemäß Anspruch 1.
Wärmedämmschichten werden auf wärmebelastete Bauteile, wie z.B. Turbinenschaufeln in Gasturbinen aufgebracht, um ein wärmeempfindliches, bspw. metallisches Substrat dieser Bau- teile vor Wärme zu schützen. Die Wärmedämmschicht besteht bspw. dabei aus Zirkonoxid oder teilstabilisiertem Zirkonoxid mit Yttriumoxid.
Zwischen der ärmedämmschicht und dem Substrat ist oft noch eine Haftvermittlerschicht MCrAlY oder Diffusionsschicht aufgebracht .
Die EP 1 029 101 Bl zeigt eine Wärmedämmschicht, die die Zusammensetzung LaAl03, also ein Perowskit, aufweist.
Die US-PS 5,310,575 zeigt ein Material bei dem Zirkonoxid in einer Matrix aus einem Spinell beigemischt ist.
Die GB 745,257 offenbart eine Wärmedämmschicht, wobei die Wärmedämmschicht ein Spinell, ein Pyrochlor oder Zirkonoxid ist .
Die US 5,914,189 offenbart eine Wärmedämmschicht, die eine Mischung eines Spinells und Calciumzirkonat (CaZr03) ist.
Aufgrund der unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten von Wärmedämmschicht und Substrat während des Betriebes kommt es zu Spannungen, die jedoch nicht zum Versagen der Schicht füh- ren, da eine gewisse Dehnungstoleranz durch eine gezielt eingestellte Mikroporosität der Wärmedämmschicht beim Plasmaspritzen gegeben ist. Bei PVD-Schichten (Physical vapour deposition) mittels Elektronenstrahlen (EB-PVD) gibt es eine dehnungstolerante StängelStruktur . Jedoch verlieren diese Schichten aufgrund der Sinterung bei den hohen Einsatztemperaturen um bzw. über 1000 °C ihre Dehnungstoleranz, wodurch die Gefahr des Versagens steigt.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung eine Wärmedämmschicht aufzuzeigen, die das oben genannte Problem überwindet.
Die Aufgabe wird durch eine Wärmedämmschicht gemäß Anspruch 1 gelöst .
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Wärmedämmschicht sind in den Unteransprüchen aufgelistet.
Die erfindungsgemäße Wärmedämmschicht ist eine Mischung aus einem Matrixmaterial wie z.B. Zirkonoxid oder Aluminiumoxid und zumindest einem beigemischten Material, dass ein reduziertes Sinterpotential bei den Einsatztemperaturen der Wär- medämmschicht aufweist.
Solche beigemischten Materialien sind vorzugsweise Keramiken aus den Systemen der Pyrochlore, wie z.B. La2Zr207, La2Hf207 und Perowskite, wie z.B. CaZr03, LaAl03 sowie Spinelle, wie z.B. MgCr204, MgAl20 , NiAl20 mit einem Volumenanteil von 10% und 50%.
Das Matrixmaterial besteht bspw. aus Zirkonoxid (Zr02) oder teilstabilisiertem Zirkonoxid (Zr02 und 7% - 8% Yttriumoxid (Y203) oder einer anderen Keramik. Durch die Beimischung zu Zirkonoxid wird eine Selbsteinstellung der Dehnungstoleranz im Hochtemperaturbereich erreicht. Die Ausdehnungskoeffizienten der verwendeten Beimischung lie- gen bspw. aber nicht notwendigerweise ober- oder unterhalb des Ausdehnungskoeffizienten der Zirkonoxidschicht . Bei einer Versinterung des Zirkonoxidmatrix, also einer Schrumpfung der Matrix, reduziert sich lokal die Dehnungstoleranz im vorwie- gend aus Zirkonoxid bestehenden Teilbereich. Zwischen den
Teilchen aus den Beimischungen und dem Zirkonoxid werden während des Einsatzes bei hohen Temperaturen jedoch zusätzlich Risse und Hohlräume erzeugt, die die in der Zirkonoxidmatrix verlorene Dehnungstoleranz kompensieren, da die Beimischungen nicht versintern, also nicht oder nur in einem geringeren Maße schrumpfen, auch wenn der thermischen Ausdehnungskoeffizient gleich ist.
Der Einfluss des thermischen Ausdehnungskoeffizients der beigemischten Materialien ist wie folgt:
Dehnt sich das Matrixmaterial bei hohen Temperaturen stärker aus als die Beimischung, so entstehen kurzzeitig Druckspan- nungen, die jedoch relaxieren. Durch die einsetzende Versinterung werden wiederum Porositäten und Risse erzeugt, die eine zunehmende Porosität erzeugen.
Dehnt sich das Matrixmaterial bei hohen Temperaturen geringer aus als die Beimischung, so entstehen durch die Versinterung der Matrix zusätzlich Risse und Porositäten zwischen Matrix und Beimischung, die eine Kompensation der verlorenen Dukti- lität durch Rissbildung oder Porosität bewirken.
Die Mikroporosität/Mikrorisse in der ärmedämmschicht wird also durch die Beimischung mit reduziertem Sinterpotential und/oder unterschiedliche Ausdehnungskoeffizienten von Matrix und Beimischung erhalten.
Durch eine gezielt gewählte Mischung kann die Mikrostruktur so eingestellt werden, dass eine für die Dehnungstoleranz des Wärmedämmschichtsystems notwendige Porosität und Reduzierung der Verhakung der StängelStrukturen bei EBPVD-Schichten erzielt wird.
Außerdem kann die Sauerstoffleitfähigkeit reduziert werden, so dass auch eine Oxidation der MCrAlY-Schicht reduziert wird.

Claims

Patentansprüche
1. Wärmedämmschicht, insbesondere für den Einsatz in einer Gasturbine,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass
die Wärmedämmschicht ein Matrixmaterial aufweist, dass dem Matrixmaterial Materialien beigemischt sind, die gegenüber dem Matrixmaterial bei den Einsatztemperaturen ein reduziertes Sinterpotential aufweisen.
2. Wärmedämmschicht nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass
dem Matrixmaterial ein Pyrochlor beigemischt ist.
3. Wärmedämmschicht nach Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass
das Pyrochlor die Zusammensetzung La2Zr07 oder La2Hf 07 aufweist .
4. Wärmedämmschicht nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass
dem Matrixmaterial ein Perowskit beigemischt ist.
5. Wärmedämmschicht nach Anspruch 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass das Perowskit die Zusammensetzung CaZr03 oder LaAl03 aufweist .
6. Wärmedämmschicht nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass
dem Matrixmaterial ein Spinell beigemischt ist.
7. Wärmedämmschicht nach Anspruch 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass
das Spinell die Zusammensetzung MgZr204 oder MgAl204 oder NiAl204 aufweist.
8. Wärmedämmschicht nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass
die Beimischungen einen Volumenanteil von 10% - 50% aufweisen.
9. Wärmedämmschicht, insbesondere nach Anspruch 1, insbesondere für den Einsatz in einer Gasturbine, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
dass die Wärmedämmschicht ein Matrixmaterial aufweist, dass dem Matrixmaterial Materialien beigemischt sind, die gegenüber dem Matrixmaterial bei den Einsatztemperaturen einen so unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweisen, dass Mikrorisse oder eine Mikropo- rosität gebildet werden.
10. Warmedammschicht nach Anspruch 1 oder 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass
das Matrixmaterial vollstabilisiertes oder teilstabilisiertes Zirkonoxid ist.
11. Wärmedämmschicht nach Anspruch 1 oder 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass
das Matrixmaterial Aluminiumoxid ist.
12. Bauteil mit einer Wärmedämmschicht nach den Ansprüchen 1 bis 11.
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