EP1973860A1 - Keramisches massivbauteil, keramische schicht mit hoher porosität, verwendung dieser schicht sowie ein bauteil mit dieser schicht - Google Patents

Keramisches massivbauteil, keramische schicht mit hoher porosität, verwendung dieser schicht sowie ein bauteil mit dieser schicht

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EP1973860A1
EP1973860A1 EP06830829A EP06830829A EP1973860A1 EP 1973860 A1 EP1973860 A1 EP 1973860A1 EP 06830829 A EP06830829 A EP 06830829A EP 06830829 A EP06830829 A EP 06830829A EP 1973860 A1 EP1973860 A1 EP 1973860A1
Authority
EP
European Patent Office
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ceramic
layer
component
solid
ceramic layer
Prior art date
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Application number
EP06830829A
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English (en)
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Stefan Lampenscherf
Werner Stamm
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Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Publication date
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Definitions

  • Ceramic solid component, ceramic layer with high porosity, use of this layer and a component with this layer are ceramic solid component, ceramic layer with high porosity, use of this layer and a component with this layer
  • the invention relates to a solid ceramic component, a ceramic layer with high porosity, the use of this layer at very high temperatures and a component with this layer.
  • Ceramic layers are often used for thermal insulation of components that could not be used without a protective layer at high temperatures. These are e.g. Turbine blades for gas turbines or steam turbines. In this case, a ceramic thermal insulation layer is applied to a substrate with a metallic bonding layer.
  • the ceramic porous layers known hitherto show, in particular with large layer thicknesses, too low a stretching tolerance.
  • the object is achieved by a solid ceramic component, a ceramic layer according to claim 1 or 2, by a Use according to claim 11 and by a component according to claim 12.
  • FIG. 1 shows a layer system
  • FIG. 2 shows a micrograph of a ceramic layer according to the prior art
  • FIG. 3 shows a micrograph of a ceramic layer according to the invention
  • FIG. 4 shows a gas turbine
  • Figure 5 is a perspective view of a turbine blade
  • Figure 6 is a perspective view of a combustion chamber.
  • FIG. 1 shows a layer system 1 according to the invention.
  • the layer system 1 consists of a substrate 4, which in particular when used for high temperatures such.
  • a substrate 4 which in particular when used for high temperatures such.
  • nickel- or cobalt-based superalloys exist in gas turbine engines 100 (FIG. 4).
  • iron-based superalloys can also be used.
  • a metallic bonding layer 7 is preferably present, which represents an alloy of the type MCrAlX.
  • a ceramic layer 10 according to the invention with high porosity is present on this metallic bonding layer 7 or on the substrate 4. Particularly at very high temperatures, as occur, for example, for coatings inside the combustion chamber (FIG. 6) ( ⁇ 1100 ° C.), a specific adjustment of the porosity is necessary in order to achieve a sufficient expansion tolerance.
  • FIG. 2 shows a micrograph of a ceramic thermal barrier layer with pores and their pore cross sections according to the prior art.
  • a pore in the ceramic layer is cut during the production of the cut and, in this sectional plane, has a specific pore cross-section, which represents the area of the pore in the plane of the micrograph. Every other microsection gives similar values for the pore cross sections.
  • the porosity analysis gives pores in the range of O ⁇ m 2 - 3000 ⁇ m 2 for the microsection of the prior art and also pore cross sections in the range of> 3000 ⁇ m 2 - 6000 ⁇ m 2 , but no pore cross-sections lying above it.
  • FIG. 3 shows a micrograph of an inventive ceramic thermal insulation layer 10 with pores and their pore cross-sections.
  • the following table discloses a distribution of pore cross sections.
  • the inventive ceramic layer 10 also has pore cross sections with values between> 6000 ⁇ m 2 and 9000 ⁇ m 2 (FIG. 3).
  • pore cross sections of> 9000 ⁇ m 2 - 12000 ⁇ m 2 are also present.
  • no pore cross sections ⁇ 12000 ⁇ m 2 are present.
  • the higher porosity is not achieved by a uniform enlargement of the pores according to the prior art, but by deliberate introduction of a few larger pores, ie a broadening of the pore cross-sectional distribution, which then leads to low hardness values for a ceramic layer.
  • the porosity is 22vol% to 28vol%. Preferably, values around 24vol% or 26vol% are used.
  • the hardness of the layer measured with HV 0 , 3 amounts to 630.
  • the layer thickness of the ceramic layer 10 is between 200 .mu.m and 2400 .mu.m, in particular between 100 .mu.m and 1200 .mu.m. Preferably, the layer thickness can also be large 1500 ⁇ m.
  • the strain tolerance of this inventive layer 10 with a layer thickness of HOO ⁇ m amounts to 1300 0 C just 0.15%. Comparable standard layers have values ⁇ 0.1%. This results in a significant increase in the expansion tolerance for the inventive layer 10 at high temperatures. At low temperatures (around 1100 ° C), the strain tolerance values of the standard layers and the new layers are comparable.
  • the layer 10 is preferably produced by plasma spraying with plastic particles. Due to the high proportion of plastic to be used, larger voids are formed (percolation effect, i.e., the voids overlap).
  • microstructure of a solid porous ceramic component corresponds to the microstructure of the layer.
  • Such components are preferably used as combustion stones for a combustion chamber 110.
  • FIG. 4 shows by way of example a gas turbine 100 in a long partial section.
  • the gas turbine 100 has inside a rotatably mounted about a rotation axis 102 rotor 103 with a shaft 101, which is also referred to as a turbine runner.
  • a compressor 105 for example, a toroidal combustion chamber 110, in particular annular combustion chamber, with a plurality of coaxially arranged burners 107, a turbine 108 and the exhaust gas housing 109.
  • the annular combustion chamber 110 communicates with an example ring-shaped hot gas channel 111th
  • four turbine stages 112 connected in series form the turbine 108.
  • Each turbine stage 112 is formed, for example, from two blade rings. In flow direction of a working medium
  • a row 125 formed of rotor blades 120 follows.
  • the guide vanes 130 are fastened to an inner housing 138 of a stator 143, whereas the rotor blades 120 of a row 125 are attached to the rotor 103 by means of a turbine disk 133, for example.
  • air 105 is sucked in and compressed by the compressor 105 through the intake housing 104.
  • the compressed air provided at the turbine-side end of the compressor 105 is supplied to the burners 107 where it is mixed with a fuel.
  • the mixture is then burned to form the working fluid 113 in the combustion chamber 110.
  • the working medium 113 flows along the hot gas channel 111 past the guide vanes 130 and the blades 120.
  • the working medium 113 expands in a pulse-transmitting manner, so that the blades 120 drive the rotor 103 and this drives the machine coupled to it.
  • the components exposed to the hot working medium 113 are subject to thermal loads during the operation of the gas turbine 100.
  • the guide vanes 130 and rotor blades 120 of the first turbine stage 112, viewed in the direction of flow of the working medium 113, are subjected to the greatest thermal stress in addition to the heat shield elements lining the annular combustion chamber 110.
  • substrates of the components may have a directional structure, i. they are monocrystalline (SX structure) or have only slow grains (DS structure).
  • SX structure monocrystalline
  • DS structure slow grains
  • iron-, nickel- or cobalt-based superalloys are used as the material for the components, in particular for the turbine blade 120, 130 and components of the combustion chamber 110.
  • Such superalloys are known, for example, from EP 1 204 776 B1, EP 1 306 454, EP 1 319 729 A1, WO 99/67435 or WO 00/44949; These documents are part of the disclosure regarding the chemical composition of the alloys.
  • the blades 120, 130 may be anti-corrosion coatings (MCrAlX; M is at least one element of the group iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), X is an active element and is yttrium (Y) and / or silicon , Scandium (Sc) and / or at least one element of the rare earth or hafnium).
  • M is at least one element of the group iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni)
  • X is an active element and is yttrium (Y) and / or silicon , Scandium (Sc) and / or at least one element of the rare earth or hafnium.
  • Such alloys are known from EP 0 486 489 B1, EP 0 786 017 B1, EP 0 412 397 B1 or EP 1 306 454 A1, which should be part of this disclosure with regard to the chemical composition.
  • a heat-insulating layer 10 may also be present, and consists for example of Zr ⁇ 2, Y2Ü3-Zr ⁇ 2, ie it is not, partially or fully ⁇ dig stabilized by yttria and / or calcium oxide and / or magnesium oxide.
  • Electron Beam Evaporation produces proton grains in the thermal insulation layer.
  • the vane 130 has a Leitschaufelfuß facing the mecanical exhauste 138 of the turbine 108 (not shown here) and a Leitschaufelfuß opposite
  • the vane head faces the rotor 103 and fixed to a mounting ring 140 of the stator 143.
  • FIG. 5 shows a perspective view of a moving blade 120 or guide blade 130 of a flow machine, which extends along a longitudinal axis 121.
  • the flow machine may be a gas turbine of an aircraft or a power plant for power generation, a steam turbine or a compressor.
  • the blade 120, 130 has, along the longitudinal axis 121, a fastening area 400, an adjacent blade platform 403, and an airfoil 406 and a blade tip 415.
  • the blade 130 may have another platform at its blade tip 415 (not shown).
  • a blade root 183 is formed, which serves for attachment of the blades 120, 130 to a shaft or a disc (not shown).
  • the blade root 183 is designed, for example, as a hammer head. Other designs as Christmas tree or Schwalbenschwanzfuß are possible.
  • the blade 120, 130 has a flow-on edge 409 and a downstream edge 412 for a medium that flows past the blade 406.
  • blades 120, 130 for example, solid metallic materials, in particular superalloys, are used in all regions 400, 403, 406 of the blade 120, 130.
  • Such superalloys are known, for example, from EP 1 204 776 B1, EP 1 306 454, EP 1 319 729 A1, WO 99/67435 or WO 00/44949; These documents are part of the disclosure regarding the chemical composition of the alloy.
  • the blade 120, 130 can hereby be produced by a casting process, also by directional solidification, by a forging process, by a milling process or combinations thereof.
  • Single-crystalline structures or structures are used as components for machines that are subject to high mechanical, thermal and / or chemical stresses during operation.
  • Such monocrystalline workpieces for example, by directed solidification from the melt. These are casting processes in which the liquid metallic alloy solidifies to a monocrystalline structure, ie to a single-crystalline workpiece, or directionally.
  • dendritic crystals are aligned along the warm flow and form either a prismatic crystalline grain structure (columnar, ie grains that run the entire length of the workpiece and here, in common usage, are referred to as directionally solidified) or a monocrystalline structure, ie the whole
  • the work consists of a single crystal.
  • the blades 120, 130 may have coatings against corrosion or oxidation, e.g. B. (MCrAlX; M is at least one element of the group iron (Fe), cobalt (Co),
  • Nickel (Ni), X is an active element and stands for yttrium (Y) and / or silicon and / or at least one element of the rare earths, or hafnium (Hf)).
  • Such alloys are known from EP 0 486 489 B1, EP 0 786 017 B1, EP 0 412 397 B1 or EP 1 306 454 A1, which should be part of this disclosure with regard to the chemical composition of the alloy.
  • the density is preferably 95% of the theoretical density.
  • Warmedamm- layer 10 is present, which is preferably the outermost layer, and consists for example of Zr ⁇ 2, Y2 ⁇ 3 ⁇ Zr ⁇ 2, ie it is not, partially or completely stabilized by yttria and / or calcium oxide and / or magnesium oxide ,
  • the thermal insulation layer covers the entire MCrAlX layer. Suitable coating processes, such as electron beam evaporation (EB-PVD), are used to produce protuberant grains in the thermal insulation layer. Other coating methods are conceivable, for example atmospheric plasma spraying (APS), LPPS, VPS or CVD.
  • the thermal barrier layer can have porous, micro- or macro-cracked grains for better thermal shock resistance.
  • the thermal insulation layer is therefore preferably more porous than the MCrAlX layer.
  • Refurbishment means that components 120, 130 may need to be stripped of protective layers after use (e.g., by sandblasting). This is followed by removal of the corrosion and / or oxidation layers or products. Optionally, even cracks in the component 120, 130 are repaired. This is followed by a re-coating of the component 120, 130 and a renewed use of the component 120, 130.
  • the blade 120, 130 may be hollow or solid. If the blade 120, 130 is to be cooled, it is hollow and possibly still has film cooling holes 418 (indicated by dashed lines).
  • FIG. 6 shows a combustion chamber 110 of a gas turbine.
  • the combustion chamber 110 is designed, for example, as a so-called annular combustion chamber, in which a multiplicity of burners 107 arranged in the circumferential direction around a rotation axis 102 pass into a common combustion chamber space 154, which produce flames 156.
  • the combustion chamber 110 is configured in its entirety as an annular structure, which is positioned around the axis of rotation 102 around.
  • the combustion chamber 110 is designed for a comparatively high temperature of the working medium M of about 1000 ° C. to 1600 ° C.
  • the combustion chamber wall 153 is located on its Dium M facing side provided with an inner lining formed from heat shield elements 155.
  • Each heat shield element 155 made of an alloy is equipped on the working fluid side with a particularly heat-resistant protective layer (MCrAlX layer and / or ceramic coating) or is made of high-temperature-resistant material (solid ceramic blocks).
  • M is at least one element of the group iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), X is an active element and stands for yttrium (Y) and / or silicon and / or at least one element of the rare earths, or hafnium (Hf).
  • MCrAlX means: M is at least one element of the group iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), X is an active element and stands for yttrium (Y) and / or silicon and / or at least one element of the rare earths, or hafnium (Hf).
  • Such alloys are known from EP 0 486 489 B1, EP 0 786 017 B1, EP 0 412 397 B1 or EP 1 306 454 A1, which should be part of this disclosure with regard to the chemical composition of the alloy.
  • ceramic maintenance can medamm harsh, consisting for example of ZrO 2, Y 2 O 3 -ZrO 2, DH is not partially full text or ⁇ stabilized dig by yttrium oxide and / or calcium and / or magnesium oxide.
  • Electron Beam Evaporation produces proton grains in the thermal insulation layer.
  • thermal insulation layer may have porous, micro- or macro-cracked grains for better thermal shock resistance.
  • Refurbishment means that heat shield elements 155 may have to be freed of protective layers after their use (eg by sandblasting). This is followed by removal of the corrosion and / or oxidation layers or products. If necessary, cracks in the heat shield element 155 are also repaired. Thereafter, a recoating of the heat shield element takes place. 155 and a renewed use of the heat shield elements 155.
  • a cooling system can additionally be provided for the heat shield elements 155 or for their holding elements.
  • the heat shield elements 155 are then, for example, hollow and possibly still have cooler holes (not shown) which still touch the combustion chamber space 154.

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Abstract

Keramische Schichten werden oft zur Wärmedämmung in einem Schichtsystem eingesetzt. Dabei weisen sie eine hohe Porosität auf. Die erfindungsgemäße poröse keramische Wärmedämmschicht weist eine besondere Verteilung in der Porengröße auf, so dass sie auch bei Temperaturen größer 1200°C eine große Dehnungstoleranz aufweist.

Description

Keramisches Massivbauteil, keramische Schicht mit hoher Porosität, Verwendung dieser Schicht sowie ein Bauteil mit dieser Schicht
Die Erfindung betrifft ein keramisches Massivbauteil, eine keramische Schicht mit hoher Porosität, die Verwendung dieser Schicht bei sehr hohen Temperaturen sowie ein Bauteil mit dieser Schicht.
Keramische Schichten werden oft zur Wärmedämmung von Bauteilen eingesetzt, die ohne Schutzschicht nicht bei hohen Temperaturen einsatzfahig waren. Dies sind z.B. Turbinenschaufeln für Gasturbinen oder Dampfturbinen. Dabei wird eine kerami- sehe Warmedammschicht auf ein Substrat mit einer metallischen Anbindungsschicht aufgebracht.
Neben den stangelformigen EB-PVD-Schichten aus Zirkonoxid sind auch plasmagespritzte keramische Schichten bekannt, die eine Porosität aufweisen, um einerseits eine geringe thermische Leitfähigkeit zu erreichen und andererseits eine hohe Thermoschockbestandigkeit zu garantieren. Insbesondere bei Beschichtungen für die Brennkammer wird eine hohe Porosität verwendet. Dabei werden oft Kunststoffteilchen beim Plas- maspritzen zugemischt, die verdampfen und so eine gewünschte Porosität in der Schicht erzeugen.
Die bisher bekannten keramischen porösen Schichten zeigen jedoch insbesondere bei großen Schichtdicken eine zu geringe Dehnungstoleranz.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung ein keramisches Massivbauteil, eine keramische Schicht, eine Verwendung der Schicht und ein Bauteil aufzuzeigen, die oben genannte Probleme überwinden.
Die Aufgabe wird gelost durch ein keramisches Massivbauteil, eine keramische Schicht gemäß Anspruch 1 oder 2, durch eine Verwendung gemäß Anspruch 11 und durch ein Bauteil gemäß Anspruch 12.
In den Unteranspruchen sind weitere vorteilhafte Maßnahmen aufgelistet, die in vorteilhafter Art und Weise beliebig miteinander kombiniert werden können.
Die Erfindung wird anhand der folgenden Zeichnungen naher erläutert .
Es zeigen:
Figur 1 ein Schichtsystem,
Figur 2 ein Schliffbild einer keramischen Schicht nach dem Stand der Technik,
Figur 3 ein Schliffbild einer erfindungsgemaßen keramischen Schicht,
Figur 4 eine Gasturbine,
Figur 5 eine perspektivische Ansicht einer Turbinenschaufel und
Figur 6 eine perspektivische Ansicht einer Brennkammer .
Figur 1 zeigt ein erfindungsgemaßes Schichtsystem 1.
Das Schichtsystem 1 besteht aus einem Substrat 4, das insbesondere bei Anwendung für hohe Temperaturen wie z. B. bei Gasturbinen 100 (Fig. 4) aus nickel- oder kobaltbasierten Superlegierungen besteht. Bei Dampfturbinen können auch eisenbasierte Superlegierungen verwendet werden. Auf dem Substrat 4 ist vorzugsweise eine metallische Anbindungsschicht 7 vorhanden, die eine Legierung des Typs MCrAlX darstellt.
Auf dieser metallischen Anbindungsschicht 7 oder auf dem Sub- strat 4 ist eine erfindungsgemaße keramische Schicht 10 mit hoher Porosität vorhanden. Insbesondere bei sehr hohen Temperaturen wie sie z.B. für Be- schichtungen innerhalb der Brennkammer (Fig. 6) auftreten (≥1100°C) ist eine gezielte Einstellung der Porosität notwendig, um eine ausreichende Dehnungstoleranz zu erreichen.
In Figur 2 ist ein Schliffbild einer keramischen Warmedamm- schicht mit Poren und deren Porenquerschnitte nach dem Stand der Technik gezeigt. Eine Pore in der keramischen Schicht wird bei der Herstellung des Schliffes geschnitten und weist in dieser Schnittebene einen bestimmten Porenquerschnitt auf, der die Flache der Pore in der Ebene des Schliffbildes darstellt. Jedes andere Schliffbild ergibt ahnliche Werte für die Poren- querschnitte .
Die Porositatsanalyse ergibt für das Schliffbild nach dem Stand der Technik zwar Poren in dem Bereich von Oμm2 - 3000μm2 und auch Porenquerschnitte in dem Bereich von >3000μm2 - 6000μm2, aber keine darüber liegenden Porenquer- schnitte.
In Figur 3 ist ein Schliffbild einer erfindungsgemaßen keramischen Warmedammschicht 10 mit Poren und deren Porenquer- schnitte gezeigt.
Folgende Tabelle offenbart eine Verteilung der Porenquerschnitte .
Die erfindungsgemaße keramische Schicht 10 weist auch Porenquerschnitte mit Werten zwischen >6000μm2 - 9000μm2 auf (Fig. 3) .
Vorzugsweise sind auch Porenquerschnitte von > 9000μm2 - 12000μm2 vorhanden.
Vorzugsweise sind keine Porenquerschnitte ≥ 12000μm2 vorhanden .
Die höhere Porosität wird nicht durch eine gleichmaßige Vergrößerung der Poren nach dem Stand der Technik erreicht, son- dern durch bewusste Einbringung von einigen größeren Poren, also eine Verbreiterung der Porenquerschnittsverteilung, die dann auch zu geringen Hartewerten für eine keramische Schicht fuhrt.
Die Porosität liegt bei 22vol% bis 28vol%. Vorzugsweise werden Werte um 24vol% oder 26vol% verwendet. Die Harte der Schicht gemessen mit HV0,3 betragt um 630.
Die Schichtdicke der keramischen Schicht 10 betragt zwischen 200μm und 2400μm, insbesondere zwischen lOOOμm und 1200μm. Vorzugsweise kann die Schichtdicke auch großer 1500μm sein.
Die Dehnungstoleranz dieser erfindungsgemaßen Schicht 10 mit einer Schichtdicke von HOOμm betragt bei 13000C knapp 0,15%. Vergleichbare Standardschichten haben Werte <0,l%. Damit liegt eine deutliche Steigerung der Dehnungstoleranz für die erfindungsgemaße Schicht 10 bei hohen Temperaturen vor. Bei niedrigen Temperaturen (um die 1100°C) sind die Dehnungstoleranzwerte der Standardschichten und der neuen Schichten ver- gleichbar.
Die Schicht 10 wird vorzugsweise durch Plasmaspritzen mit Kunststoffteilchen hergestellt. Aufgrund des hohen zu verwendenden Anteils an Kunststoff bilden sich größere Hohlräume aus (Perkulationseffekt , d.h. die Hohlräume überlappen sich) .
Die Mikrostruktur eines massiven Bauteils aus der porösen Keramik entspricht der Mirkostruktur der Schicht. Solche Bauteile werden bevorzugt als Brennkammersteine für eine Brennkammer 110 verwendet.
Die Figur 4 zeigt beispielhaft eine Gasturbine 100 in einem Langsteilschnitt .
Die Gasturbine 100 weist im Inneren einen um eine Rotationsachse 102 drehgelagerten Rotor 103 mit einer Welle 101 auf, der auch als Turbinenlaufer bezeichnet wird. Entlang des Rotors 103 folgen aufeinander ein Ansauggehause 104, ein Verdichter 105, eine beispielsweise torusartige Brennkammer 110, insbesondere Ringbrennkammer, mit mehreren koaxial angeordneten Brennern 107, eine Turbine 108 und das Abgasgehause 109. Die Ringbrennkammer 110 kommuniziert mit einem beispielsweise ringförmigen Heißgaskanal 111. Dort bilden beispielsweise vier hintereinander geschaltete Turbinenstufen 112 die Turbine 108. Jede Turbinenstufe 112 ist beispielsweise aus zwei Schaufel- ringen gebildet. In Stromungsrichtung eines Arbeitsmediums
113 gesehen folgt im Heißgaskanal 111 einer Leitschaufelreihe 115 eine aus Laufschaufeln 120 gebildete Reihe 125.
Die Leitschaufeln 130 sind dabei an einem Innengehause 138 eines Stators 143 befestigt, wohingegen die Laufschaufeln 120 einer Reihe 125 beispielsweise mittels einer Turbinenscheibe 133 am Rotor 103 angebracht sind.
An dem Rotor 103 angekoppelt ist ein Generator oder eine Arbeitsmaschine (nicht dargestellt) .
Wahrend des Betriebes der Gasturbine 100 wird vom Verdichter 105 durch das Ansauggehause 104 Luft 135 angesaugt und verdichtet. Die am turbinenseitigen Ende des Verdichters 105 bereitgestellte verdichtete Luft wird zu den Brennern 107 ge- fuhrt und dort mit einem Brennmittel vermischt. Das Gemisch wird dann unter Bildung des Arbeitsmediums 113 in der Brennkammer 110 verbrannt. Von dort aus strömt das Arbeitsmedium 113 entlang des Heißgaskanals 111 vorbei an den Leitschaufeln 130 und den Laufschaufeln 120. An den Laufschaufeln 120 entspannt sich das Arbeitsmedium 113 impulsubertragend, so dass die Laufschaufeln 120 den Rotor 103 antreiben und dieser die an ihn angekoppelte Arbeitsmaschine.
Die dem heißen Arbeitsmedium 113 ausgesetzten Bauteile unterliegen wahrend des Betriebes der Gasturbine 100 thermischen Belastungen. Die Leitschaufeln 130 und Laufschaufeln 120 der in Stromungsrichtung des Arbeitsmediums 113 gesehen ersten Turbinenstufe 112 werden neben den die Ringbrennkammer 110 auskleidenden Hitzeschildelementen am meisten thermisch belastet.
Um den dort herrschenden Temperaturen standzuhalten, können diese mittels eines Kuhlmittels gekühlt werden. Ebenso können Substrate der Bauteile eine gerichtete Struktur aufweisen, d.h. sie sind einkristallin (SX-Struktur) oder weisen nur langsgerichtete Korner auf (DS-Struktur) . Als Material für die Bauteile, insbesondere für die Turbinenschaufel 120, 130 und Bauteile der Brennkammer 110 werden beispielsweise eisen-, nickel- oder kobaltbasierte Superle- gierungen verwendet.
Solche Superlegierungen sind beispielsweise aus der EP 1 204 776 Bl, EP 1 306 454, EP 1 319 729 Al, WO 99/67435 oder WO 00/44949 bekannt; diese Schriften sind bzgl. der chemischen Zusammensetzung der Legierungen Teil der Offenbarung.
Ebenso können die Schaufeln 120, 130 Beschichtungen gegen Korrosion (MCrAlX; M ist zumindest ein Element der Gruppe Eisen (Fe) , Kobalt (Co) , Nickel (Ni) , X ist ein Aktivelement und steht für Yttrium (Y) und/oder Silizium, Scandium (Sc) und/oder zumindest ein Element der Seltenen Erden bzw. Hafnium) . Solche Legierungen sind bekannt aus der EP 0 486 489 Bl, EP 0 786 017 Bl, EP 0 412 397 Bl oder EP 1 306 454 Al, die bzgl. der chemischen Zusammensetzung Teil dieser Offenba- rung sein sollen.
Auf der MCrAlX kann noch eine erfindungsgemaße Warmedamm- schicht 10 vorhanden sein, und besteht beispielsweise aus Zrθ2, Y2Ü3-Zrθ2, d.h. sie ist nicht, teilweise oder vollstän¬ dig stabilisiert durch Yttriumoxid und/oder Kalziumoxid und/oder Magnesiumoxid.
Durch geeignete Beschichtungsverfahren wie z.B. Elektronen- strahlverdampfen (EB-PVD) werden stangelformige Korner in der Warmedammschicht erzeugt.
Die Leitschaufel 130 weist einen dem Innengehause 138 der Turbine 108 zugewandten Leitschaufelfuß (hier nicht darge- stellt) und einen dem Leitschaufelfuß gegenüberliegenden
Leitschaufelkopf auf. Der Leitschaufelkopf ist dem Rotor 103 zugewandt und an einem Befestigungsring 140 des Stators 143 festgelegt .
Die Figur 5 zeigt in perspektivischer Ansicht eine Laufschaufel 120 oder Leitschaufel 130 einer Stromungsmaschine, die sich entlang einer Langsachse 121 erstreckt.
Die Stromungsmaschine kann eine Gasturbine eines Flugzeugs oder eines Kraftwerks zur Elektrizitatserzeugung, eine Dampfturbine oder ein Kompressor sein.
Die Schaufel 120, 130 weist entlang der Langsachse 121 auf- einander folgend einen Befestigungsbereich 400, eine daran angrenzende Schaufelplattform 403 sowie ein Schaufelblatt 406 und eine Schaufelspitze 415 auf.
Als Leitschaufel 130 kann die Schaufel 130 an ihrer Schaufelspitze 415 eine weitere Plattform aufweisen (nicht darge- stellt) .
Im Befestigungsbereich 400 ist ein Schaufelfuß 183 gebildet, der zur Befestigung der Laufschaufeln 120, 130 an einer Welle oder einer Scheibe dient (nicht dargestellt) . Der Schaufelfuß 183 ist beispielsweise als Hammerkopf ausgestaltet. Andere Ausgestaltungen als Tannenbaum- oder Schwalbenschwanzfuß sind möglich. Die Schaufel 120, 130 weist für ein Medium, das an dem Schaufelblatt 406 vorbeistromt, eine Anstromkante 409 und eine Ab- stromkante 412 auf.
Bei herkömmlichen Schaufeln 120, 130 werden in allen Bereichen 400, 403, 406 der Schaufel 120, 130 beispielsweise massive metallische Werkstoffe, insbesondere Superlegierungen verwendet . Solche Superlegierungen sind beispielsweise aus der EP 1 204 776 Bl, EP 1 306 454, EP 1 319 729 Al, WO 99/67435 oder WO 00/44949 bekannt; diese Schriften sind bzgl. der chemischen Zusammensetzung der Legierung Teil der Offenbarung. Die Schaufel 120, 130 kann hierbei durch ein Gussverfahren, auch mittels gerichteter Erstarrung, durch ein Schmiedever- fahren, durch ein Frasverfahren oder Kombinationen daraus gefertigt sein.
Werkstucke mit einkristalliner Struktur oder Strukturen werden als Bauteile für Maschinen eingesetzt, die im Betrieb hohen mechanischen, thermischen und/oder chemischen Belastungen ausgesetzt sind.
Die Fertigung von derartigen einkristallinen Werkstucken erfolgt z.B. durch gerichtetes Erstarren aus der Schmelze. Es handelt sich dabei um Gießverfahren, bei denen die flussige metallische Legierung zur einkristallinen Struktur, d.h. zum einkristallinen Werkstuck, oder gerichtet erstarrt. Dabei werden dendritische Kristalle entlang dem Warmefluss ausgerichtet und bilden entweder eine stangelkristalline Kornstruktur (kolumnar, d.h. Korner, die über die ganze Lange des Werkstuckes verlaufen und hier, dem allgemeinen Sprachgebrauch nach, als gerichtet erstarrt bezeichnet werden) oder eine einkristalline Struktur, d.h. das ganze Werkstuck besteht aus einem einzigen Kristall. In diesen Verfahren muss man den Übergang zur globulitischen (polykristallinen) Er- starrung meiden, da sich durch ungerichtetes Wachstum notwendigerweise transversale und longitudinale Korngrenzen ausbilden, welche die guten Eigenschaften des gerichtet erstarrten oder einkristallinen Bauteiles zunichte machen. Ist allgemein von gerichtet erstarrten Gefugen die Rede, so sind damit sowohl Einkristalle gemeint, die keine Korngrenzen oder höchstens Kleinwinkelkorngrenzen aufweisen, als auch Stangelkristallstrukturen, die wohl in longitudinaler Rich- tung verlaufende Korngrenzen, aber keine transversalen Korngrenzen aufweisen. Bei diesen zweitgenannten kristallinen Strukturen spricht man auch von gerichtet erstarrten Gefugen (directionally solidified structures).
Solche Verfahren sind aus der US-PS 6,024,792 und der EP 0 892 090 Al bekannt; diese Schriften sind bzgl. des Erstarrungsverfahrens Teil der Offenbarung.
Ebenso können die Schaufeln 120, 130 Beschichtungen gegen Korrosion oder Oxidation aufweisen, z. B. (MCrAlX; M ist zu- mindest ein Element der Gruppe Eisen (Fe) , Kobalt (Co) ,
Nickel (Ni) , X ist ein Aktivelement und steht für Yttrium (Y) und/oder Silizium und/oder zumindest ein Element der Seltenen Erden, bzw. Hafnium (Hf)) . Solche Legierungen sind bekannt aus der EP 0 486 489 Bl, EP 0 786 017 Bl, EP 0 412 397 Bl oder EP 1 306 454 Al, die bzgl. der chemischen Zusammensetzung der Legierung Teil dieser Offenbarung sein sollen. Die Dichte liegt vorzugsweise bei 95% der theoretischen Dichte . Auf der MCrAlX-Schicht (als Zwischenschicht oder als äußerste Schicht) bildet sich eine schutzende Aluminiumoxidschicht (TGO = thermal grown oxide layer) .
Auf der MCrAlX ist noch eine erfindungsgemaße Warmedamm- schicht 10 vorhanden sein, die vorzugsweise die äußerste Schicht ist, und besteht beispielsweise aus Zrθ2, Y2θ3~Zrθ2, d.h. sie ist nicht, teilweise oder vollständig stabilisiert durch Yttriumoxid und/oder Kalziumoxid und/oder Magnesiumoxid . Die Warmedammschicht bedeckt die gesamte MCrAlX-Schicht . Durch geeignete Beschichtungsverfahren wie z.B. Elektronen- strahlverdampfen (EB-PVD) werden stangelformige Korner in der Warmedammschicht erzeugt. Andere Beschichtungsverfahren sind denkbar, z.B. atmosphärisches Plasmaspritzen (APS), LPPS, VPS oder CVD. Die Warme- dammschicht kann poröse, mikro- oder makrorissbehaftete Korner zur besseren Thermoschockbestandigkeit aufweisen. Die Warmedammschicht ist also vorzugsweise poröser als die MCrAlX-Schicht.
Wiederaufarbeitung (Refurbishment) bedeutet, dass Bauteile 120, 130 nach ihrem Einsatz gegebenenfalls von Schutzschich- ten befreit werden müssen (z.B. durch Sandstrahlen) . Danach erfolgt eine Entfernung der Korrosions- und/oder Oxidations- schichten bzw. -produkte. Gegebenenfalls werden auch noch Risse im Bauteil 120, 130 repariert. Danach erfolgt eine Wie- derbeschichtung des Bauteils 120, 130 und ein erneuter Ein- satz des Bauteils 120, 130.
Die Schaufel 120, 130 kann hohl oder massiv ausgeführt sein. Wenn die Schaufel 120, 130 gekühlt werden soll, ist sie hohl und weist ggf. noch Filmkuhllocher 418 (gestrichelt angedeu- tet) auf.
Die Figur 6 zeigt eine Brennkammer 110 einer Gasturbine. Die Brennkammer 110 ist beispielsweise als so genannte Ring- brennkammer ausgestaltet, bei der eine Vielzahl von in Um- fangsrichtung um eine Rotationsachse 102 herum angeordneten Brennern 107 in einen gemeinsamen Brennkammerraum 154 munden, die Flammen 156 erzeugen. Dazu ist die Brennkammer 110 in ihrer Gesamtheit als ringförmige Struktur ausgestaltet, die um die Rotationsachse 102 herum positioniert ist.
Zur Erzielung eines vergleichsweise hohen Wirkungsgrades ist die Brennkammer 110 für eine vergleichsweise hohe Temperatur des Arbeitsmediums M von etwa 10000C bis 16000C ausgelegt. Um auch bei diesen, für die Materialien ungunstigen Betriebsparametern eine vergleichsweise lange Betriebsdauer zu ermöglichen, ist die Brennkammerwand 153 auf ihrer dem Arbeitsme- dium M zugewandten Seite mit einer aus Hitzeschildelementen 155 gebildeten Innenauskleidung versehen.
Jedes Hitzeschildelement 155 aus einer Legierung ist arbeits- mediumsseitig mit einer besonders hitzebestandigen Schutz- schicht (MCrAlX-Schicht und/oder keramische Beschichtung) ausgestattet oder ist aus hochtemperaturbestandigem Material (massive keramische Steine) gefertigt.
Diese Schutzschichten können ahnlich der Turbinenschaufeln sein, also bedeutet beispielsweise MCrAlX: M ist zumindest ein Element der Gruppe Eisen (Fe) , Kobalt (Co) , Nickel (Ni) , X ist ein Aktivelement und steht für Yttrium (Y) und/oder Silizium und/oder zumindest ein Element der Seltenen Erden, bzw. Hafnium (Hf) . Solche Legierungen sind bekannt aus der EP 0 486 489 Bl, EP 0 786 017 Bl, EP 0 412 397 Bl oder EP 1 306 454 Al, die bzgl. der chemischen Zusammensetzung der Legierung Teil dieser Offenbarung sein sollen.
Auf der MCrAlX kann noch eine beispielsweise keramische War- medammschicht vorhanden sein und besteht beispielsweise aus ZrO2, Y2O3-ZrO2, d.h. sie ist nicht, teilweise oder vollstän¬ dig stabilisiert durch Yttriumoxid und/oder Kalziumoxid und/oder Magnesiumoxid.
Durch geeignete Beschichtungsverfahren wie z.B. Elektronen- strahlverdampfen (EB-PVD) werden stangelformige Korner in der Warmedammschicht erzeugt.
Andere Beschichtungsverfahren sind denkbar, z.B. atmosphärisches Plasmaspritzen (APS), LPPS, VPS oder CVD. Die Warmedammschicht kann poröse, mikro- oder makrorissbehaftete Korner zur besseren Thermoschockbestandigkeit aufweisen.
Wiederaufarbeitung (Refurbishment) bedeutet, dass Hitzeschildelemente 155 nach ihrem Einsatz gegebenenfalls von Schutzschichten befreit werden müssen (z.B. durch Sandstrahlen) . Danach erfolgt eine Entfernung der Korrosions- und/oder Oxidationsschichten bzw. -produkte. Gegebenenfalls werden auch noch Risse in dem Hitzeschildelement 155 repariert. Danach erfolgt eine Wiederbeschichtung der Hitzeschildele- mente 155 und ein erneuter Einsatz der Hitzeschildelemente 155.
Aufgrund der hohen Temperaturen im Inneren der Brennkammer 110 kann zudem für die Hitzeschildelemente 155 bzw. für deren Halteelemente ein Kuhlsystem vorgesehen sein. Die Hitzeschildelemente 155 sind dann beispielsweise hohl und weisen ggf. noch in den Brennkammerraum 154 mundende Kuhllocher (nicht dargestellt) auf.

Claims

Patentansprüche
1. Keramisches Massivbauteil oder keramische Schicht, deren Porenquerschnitte in die Bereiche Oμm2 bis 3000μm2,
> 3000μm2 bis 6000μm2,
> 6000μm2 bis 9000μm2 und
> 9000μm2 bis 12000μm2 aufgeteilt werden können, wobei folgende Porenverteilung der Porenquerschnitte gegeben ist: in dem Bereich 0 μm2 bis 3000μm2 : 2000 bis 2400 Poren pro mm2, insbesondere ~2200 Poren pro mm2, in dem Bereich >3000μm2 bis 6000μm2 : 6 bis 10 Poren pro mm insbesondere ~8,5 Poren pro mm2, in dem Bereich >6000μm2 bis 9000μm2 2,2 bis 3,2 Poren pro mm insbesondere ~2,8 Poren pro mm und in dem Bereich >9000μm2 bis 12000μm2 : 1,0 bis 2,2 Poren pro mm2, insbesondere ~1,5 Poren pro mm2.
2. Keramisches Massivbauteil oder keramische Schicht, die eine Porosität von 22vol% bis 28vol% und eine Harte zwischen 600HV0.3 und 660HV0.3, insbesondere 630HV0, 3, aufweist.
3. Keramisches Massivbauteil oder keramische Schicht nach
Anspruch 2, die Porenquerschnitte von >9000μm2 bis 12000μm2 aufweisen .
4. Keramisches Massivbauteil oder keramische Schicht nach Anspruch 1, 2 oder 3,
deren Porosität bei 24vol% liegt.
5. Keramisches Massivbauteil oder keramische Schicht nach Anspruch 1, 2 oder 3,
deren Porosität bei 26vol% liegt.
6. Keramisches Massivbauteil oder keramische Schicht nach Anspruch 1, 2, 3, 4 oder 5,
deren Schichtdicke zwischen 200μm und 2400μm, insbesondere zwischen 800μm und 2000μm, betragt .
7. Keramisches Massivbauteil oder keramische Schicht nach Anspruch 1, 2, 3, 4 oder 5,
deren Schichtdicke zwischen lOOOμm und 1200μm betragt.
8. Keramisches Massivbauteil oder keramische Schicht nach Anspruch 1, 2, 3, 4 oder 5,
deren Schichtdicke zwischen 200μm und lOOOμm betragt.
9. Keramisches Massivbauteil oder keramische Schicht nach
Anspruch 1, 2, 3, 4 oder 5,
deren Schichtdicke großer 1500μm betragt.
10. Verwendung eines keramischen Massivbauteils oder keramischen Schicht (10) nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9 für den Einsatz bei hohen Temperaturen ≥ 11000C, insbesondere > 12000C.
11. Bauteil (1, 120, 130, 138, 155) aufweisend eine keramische Schicht (10) nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche 1 bis 10.
12. Bauteil nach Anspruch 11, das ein Bauteil einer Dampfturbine oder Gasturbine (100; ist, insbesondere ein Brennkammerelement (155) , oder Turbinenschaufel (120, 130) oder ein Gehauseteil (138) .
13. Bauteil nach Anspruch 11 oder 12, dessen Substrat (4) nickelbasiert ist.
14. Bauteil nach Anspruch 11 oder 12, dessen Substrat (4) kobaltbasiert ist.
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