EP2029794A2 - Wärmedämmschicht - Google Patents

Wärmedämmschicht

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Publication number
EP2029794A2
EP2029794A2 EP07785524A EP07785524A EP2029794A2 EP 2029794 A2 EP2029794 A2 EP 2029794A2 EP 07785524 A EP07785524 A EP 07785524A EP 07785524 A EP07785524 A EP 07785524A EP 2029794 A2 EP2029794 A2 EP 2029794A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
layer
thermal barrier
barrier coating
component
inner contact
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP07785524A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Stefan Schneiderbanger
Ralf Stolle
Thomas Uihlein
Wolfgang Wachter
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MTU Aero Engines AG
Original Assignee
MTU Aero Engines GmbH
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Filing date
Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • Y10T428/26—Web or sheet containing structurally defined element or component, the element or component having a specified physical dimension

Definitions

  • the invention relates to a thermal barrier coating for metallic components, in particular for high-temperature loaded or hot gas loaded components of a gas turbine, having an inner contact layer and an outer cover layer, wherein the inner contact layer is applied to a surface of the component with the interposition of an adhesion-promoting layer. Furthermore, the invention relates to a component with such a thermal barrier coating.
  • DE 100 08 861 A1 discloses a thermal insulation layer system for a metallic component, wherein the thermal insulation layer system consists of a contact layer and a cover layer. The contact layer is located between an adhesion-promoting layer and the cover layer, wherein the adhesion-promoting layer is applied to the component.
  • DE 100 08 861 Al there is a contact layer of the thermal barrier coating system entirely or predominantly of Y 2 O 3 partially stabilized zirconium oxide or of a glass-metal composite, the outer layer is composed of fully stabilized cubic zirconia (ZrO 2).
  • Object of the present invention is therefore to provide a thermal barrier coating of the type mentioned, which has a significantly improved erosion resistance.
  • a thermal barrier coating according to the invention for metallic components in particular for components of a gas turbine subjected to high temperatures or hot gas, has an inner contact layer and an outer cover layer, wherein the inner contact layer is applied to a surface of the component with the interposition of an adhesion-promoting layer.
  • an intermediate layer is formed between the outer cover layer and the inner contact layer, wherein the intermediate layer is formed from a material which consists of at least one component having at least one phase stoichiometrically 1 to 80 mol% Mx 2 O 3 , 0.5 to 80 mole% MyO and balance Al 2 O 3 with random impurities and Mx is selected from the elements lanthanum, chromium, barium, neodymium or mixtures thereof, and where My is selected from the alkaline earth metals, the transition metals and the rare earths or mixtures thereof, preferably of magnesium, zinc, cobalt, manganese, iron, nickel, chromium, europium, samarium or mixtures thereof, and the inner contact layer and the outer cover layer consist of a zirconium oxide partially stabilized with yttrium, yttrium oxide, calcium or magnesium.
  • the intermediate layer Mx 2 O 3 as La 2 O 3 and MyO be performed as MgO, wherein the phase is a hexaaluminate phase of the magnetoplumbite structure.
  • the intermediate layer consists in particular of lanthanum hexaaluminate, in particular doped lanthanum hexaaluminate.
  • the construction according to the invention of the thermal barrier coating makes it possible to fully exploit the advantages of the intermediate layer, in particular consisting of lanthanum hexaaluminate, which is considerably more stable in sintering compared to zirconium oxide, while at the same time achieving high erosion resistance ensured by the outer cover layer.
  • there is an additional phase boundary between the outer cover layer and the intermediate layer is formed. This acts as an impurity and significantly reduces heat conduction in the thermal barrier coating.
  • the hafsite-forming layer applied to the metallic component is metallic and preferably formed as an aluminum diffusion layer or as a platinum-aluminum diffusion layer or as an MCrAlY coating layer.
  • the adhesion-promoting layer increases the adhesion of the thermal barrier coating on the metallic component.
  • the outer cover layer has a layer thickness between 1 and 250 .mu.m, in particular between 10 and 200 .mu.m
  • the intermediate layer has a layer thickness between 30 and 2250 .mu.m, in particular between 50 and 2000 .mu.m
  • the inner contact layer has a layer thickness between 1 and 2250 .mu.m, in particular between 1 and 2000 .mu.m
  • the adhesion promoting layer has a layer thickness between 1 and 650 .mu.m, in particular between 1 and 500 .mu.m.
  • a component according to the invention in particular a component of a gas turbine such as an aircraft engine, with a bonding layer applied to a metallic component surface and a heat-insulating layer at least partially applied to the adhesion-promoting layer consists of a metallic substrate and a heat-insulating layer according to the invention, at least partially applied to the metallic substrate, as in the preceding described.
  • a correspondingly coated component due to the significant reduction in the thermal conductivity and also significantly increased erosion resistance of the thermal barrier coating according to the present invention, has a significantly lower wear rate with a correspondingly longer service life.
  • the thermal barrier coating or its individual components and layers according to the invention are preferably applied to the component by thermal spraying or by a PVD (Physical Vapor Deposition) or EB-PVD (Electron Beam Physical Vapor Deposition) process or a CVD (Chemical Vapor Deposition) process applied.
  • PVD Physical Vapor Deposition
  • EB-PVD Electro Beam Physical Vapor Deposition
  • CVD Chemical Vapor Deposition
  • the figure shows a highly schematic of a metallic component 20 of a gas turbine, wherein an adhesive layer 18 is applied to a surface of the component 20.
  • a heat-insulating layer 10 is applied to the adhesion-promoting layer 18, the thermal-insulating layer 10 comprising an inner contact layer 12, an intermediate layer 14 and an outer covering layer 16.
  • the inner contact layer 12 and the cover layer 16 consist of a yttrium, yttrium oxide, calcium or magnesium partially stabilized zirconium oxide layer.
  • the intermediate layer 14 is formed of lanthanum hexaaluminate according to the embodiment.
  • the lanthanum hexaaluminate is preferably stabilized with magnesium or manganese.
  • the thermal barrier coating 10 of metallic bonding layer 18 Due to the overall four-layer structure of the thermal barrier coating 10 of metallic bonding layer 18, the contact layer 16 of partially stabilized zirconia, the intermediate layer 14 of lanthanum hexaaluminate and the top layer 16 of partially stabilized zirconia is achieved that the thermal expansion coefficients between the individual layers are adapted to each other. Tensions within the thermal barrier coating 10 are thereby minimized.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Wärmedämmschicht für metallische Bauteile, insbesondere für hochtemperaturbelastete oder heißgasbelastete Bauteile einer Gasturbine, mit einer inneren Kontaktschicht (12) und einer äußeren Deckschicht (16), wobei die innere Kontaktschicht (12) unter Zwischenanordnung einer Haftvermittlungsschicht (18) auf eine Oberfläche des Bauteils (20) aufgebracht ist, wobei zwischen der äußeren Deckschicht (16) und inneren Kontaktschicht (12) eine Zwischenschicht (14) ausgebildet ist, wobei die Zwischenschicht (14) aus einem Material gebildet ist, welches aus mindestens einer Komponente mit mindestens einer Phase besteht, die stöchiometrisch 1 bis 80 Mol-% Mx2O3, 0,5 bis 80 Mol-% MyO und als Rest Al2O3 mit zufälligen Verunreinigungen aufweist, wobei Mx aus den Elementen Lanthan, Chrom und Barium, Neodym oder Mischungen hiervon ausgewählt ist, und wobei My aus den Erdalkalimetallen, den Übergangsmetallen und den seltenen Erden oder Mischungen hiervon, vorzugsweise aus Magnesium, Zink, Kobalt, Mangan, Eisen, Nickel, Chrom, Europium, Samarium oder Mischungen hiervon, ausgewählt ist und die innere Kontaktschicht (12) und die äußere Deckschicht (16) aus einem mit Yttrium, Yttriumoxid, Calcium oder Magnesium teilstabilisierten Zirkoniumoxid bestehen.

Description

Wärmedämmschicht
Die Erfindung betrifft eine Wärmedämmschicht für metallische Bauteile, insbesondere für hochtemperaturbelastete oder heißgasbelastete Bauteile einer Gasturbine, mit einer inneren Kontaktschicht und einer äußeren Deckschicht, wobei die innere Kontaktschicht unter Zwischenanordnung einer Haftvermittlungsschicht auf eine Oberfläche des Bauteils aufgebracht ist. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Bauteil mit einer solchen Wärmedämm- schicht.
Zum Schutz vor hohen Temperaturen und vor Heißgaskorrosion werden metallische Bauteile einer Gasturbine mit Wärmedämmschichten versehen. Die DE 100 08 861 Al offenbart ein Wärmdämmschichtsystem für ein metallisches Bauteil, wobei das Wärmedämmschichtsystem aus einer Kontaktschicht und einer Deckschicht besteht. Die Kontaktschicht befindet sich zwischen einer Haftvermittlungsschicht und der Deckschicht, wobei die Haftvermittlungsschicht auf dem Bauteil aufgebracht ist. Nach der DE 100 08 861 Al besteht die Kontaktschicht des Wärmedämmschichtsystems ganz oder überwiegend aus mit Y2O3 teilstabilisiertem Zirkoniumoxid oder aus einem Glas-Metall-Kompositwerkstoff, die Deckschicht besteht aus vollstabilisiertem, kubischem Zirkoniumoxid (ZrO2). Des Weiteren wurden Versuche mit Wärmedämmschichten aus Lanthanhexaaluminat (LaHA) durchgeführt (EP 1 060 281 Bl). Letztere weisen jedoch im Vergleich zu Zirkoniumoxid eine zu geringe Erosionsbeständigkeit auf. Damit ist der Einsatz von insbesondere LaHA als Wärmedämmschicht nur sehr eingeschränkt möglich.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Wärmedämmschicht der eingangs genannten Art bereitzustellen, die eine deutlich verbesserte Erosionsbeständigkeit aufweist.
Es ist weiterhin Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein gattungsgemäßes Bauteil bereitzustellen, welches eine deutlich verbesserte Erosionsbeständigkeit aufweist. Gelöst werden diese Aufgaben durch eine Wärmedämmschicht gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie ein Bauteil gemäß den Merkmalen des Anspruchs 11.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den jeweiligen Unter-ansprüchen beschrieben.
Eine erfindungsgemäße Wärmedämmschicht für metallische Bauteile, insbesondere für hochtemperaturbelastete oder heißgasbelastete Bauteile einer Gasturbine, weist eine innere Kontaktschicht und eine äußere Deckschicht auf, wobei die innere Kontaktschicht unter Zwischenanordnung einer Haftvermittlungsschicht auf eine Oberfläche des Bauteils aufgebracht ist. Erfindungsgemäß ist zwischen der äußeren Deckschicht und der inneren Kontaktschicht eine Zwischenschicht ausgebildet, wobei die Zwischenschicht aus einem Material gebildet ist, welches aus mindestens einer Komponente mit mindestens einer Phase besteht, die stöchiometrisch 1 bis 80 Mol-% Mx2O3, 0,5 bis 80 Mol-% MyO und als Rest Al2O3 mit zufälligen Verunreinigungen aufweist und Mx aus den Elementen Lanthan, Chrom, Barium, Neodym oder Mischungen hiervon ausgewählt ist, und wobei My aus den Erdalkalimetallen, den Übergangsmetallen und den seltenen Erden oder Mischungen hiervon, vorzugsweise aus Magnesium, Zink, Kobalt, Mangan, Eisen, Nickel, Chrom, Europium, Samarium oder Mischungen hiervon, ausgewählt ist und die innere Kontaktschicht und die äußere Deckschicht aus einem mit Yttrium, Yttriumoxid, Calcium oder Magnesium teilstabilisierten Zirkoniumoxid bestehen. Dabei kann gemäß einer Ausfuhrungsform der Erfindung in der Zwischenschicht Mx2O3 als La2O3 und MyO als MgO ausgeführt sein, wobei die Phase eine Hexaaluminatphase der Magnetoplumbit-Struktur ist. Die Zwischenschicht besteht dabei insbesondere aus Lanthanhexaaluminat, insbesondere dotiertem Lan- thanhexaaluminat. Durch den erfindungsgemäßen Aufbau der Wärmedämmschicht ist es möglich, die Vorteile der im Vergleich zu Zirkoniumoxid wesentlich sinterstabileren Zwischenschicht, insbesondere bestehend aus Lanthanhexaaluminat, in vollem Umfang im Triebwerksbau auszunutzen und gleichzeitig eine durch die äußere Deckschicht gewährleistete hohe Erosionsbeständigkeit zu erzielen. Des Weiteren ist bei der erfindungsgemäßen Wärmedämmschicht eine zusätzliche Phasengrenze zwischen der äußeren Deckschicht und der Zwischenschicht ausgebildet. Diese fungiert als Störstelle und reduziert die Wärmeleitung in der Wärmedämmschicht signifikant.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Wärmedämmschicht ist die auf das metallische Bauteil aufgebrachte Hafitvermittlungsschicht metallisch und vorzugsweise als Aluminium-Diffusions-schicht oder als Platin-Aluminium- Diffusionsschicht oder als MCrAlY- Auftragschicht ausgebildet. Die Haftvermittlungsschicht erhöht die Haftung der Wärmedämmschicht auf dem metallischen Bauteil.
In weiteren vorteilhaften Ausgestaltungen der erfϊndungsgemäßen Wärmedämmschicht weist die äußere Deckschicht eine Schichtdicke zwischen 1 und 250 μm, insbesondere zwischen 10 und 200 μm, die Zwischenschicht eine Schichtdicke zwischen 30 und 2250 μm, insbesondere zwischen 50 und 2000μm, die innere Kontaktschicht eine Schichtdicke zwischen 1 und 2250 μm, insbesondere zwischen 1 und 2000 μm und die Haftvermittlungsschicht eine Schichtdicke zwischen 1 und 650 μm, insbesondere zwischen 1 und 500 μm auf. Durch die Wahl der Schichtdicke der äußeren Deckschicht ist vorteilhafterweise gewährleistet, dass auch bei einem Auftreten von (Mikro)-Rissen in der Deckschicht nach langen Einsatzzeiten bei hohen Einsatztemperaturen es nicht zu einer weiteren mechanischen Desintegration des Gesamtsystems bzw. der Wärmedämmschicht kommt.
Ein erfindungsgemäßes Bauteil, insbesondere ein Bauteil einer Gasturbine wie eines Flugtriebwerks, mit einer auf einer metallischen Bauteiloberfläche aufgebrachten Haftvermittlungsschicht und einer auf die Haftvermittlungsschicht zumindest teilweise aufgebrachten Wärmedämmschicht besteht aus einem metallischen Substrat und einer auf das metallische Substrat zumindest teilweise aufgebrachten erfindungsgemäßen Wärmedämmschicht, wie im Vorhergehenden beschrieben. Ein entsprechend beschichtetes Bauteil weist aufgrund der deutlichen Reduzierung der Wärmeleitfähigkeit und einer ebenfalls signifikant erhöhten Erosionsbeständigkeit der Wärmedämmschicht gemäß vorliegender Erfindung eine deutlich geringere Verschleißrate bei einer entsprechend höheren Lebensdauer auf. Die erfindungsgemäße Wärmedämmschicht bzw. deren Einzelbestandteile und -schichten werden vorzugsweise durch thermisches Spritzen oder durch einen PVD (Physical Vapor Deposition) bzw. EB-PVD (Elektronenstrahl Physical Vapor Deposition)-Prozess oder einen CVD (Chemical Vapor Deposition)-Prozess auf das Bauteil aufgebracht. Auch andere Verfahren sind denkbar. Die einzelnen Verfahren zum Aufbringen der Schichten sind dem hier angesprochenen Fachmann geläufig und bedürfen daher keiner näheren Erläuterung.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines zeichnerisch dargestellten Aus-führungsbeispiels.
Die Figur zeigt dabei stark schematisiert ein metallisches Bauteil 20 einer Gasturbine, wobei auf eine Oberfläche des Bauteils 20 eine Haftvermittlungsschicht 18 aufgebracht ist. Auf die Haftvermittlungsschicht 18 ist eine Wärmedämmschicht 10 aufgebracht, wobei die Wärmedämmschicht 10 eine innere Kontaktschicht 12, eine Zwischenschicht 14 und eine äußere Deckschicht 16 umfasst.
Die innere Kontaktschicht 12 und die Deckschicht 16 bestehen dabei aus einer mit Yttrium, Yttriumoxid, Calcium oder Magnesium teilstabilisierten Zirkoniumoxid-Schicht. Die Zwischenschicht 14 ist gemäß dem Ausführungsbeispiel aus Lanthanhexaaluminat gebildet. Das Lanthanhexaaluminat ist dabei vorzugsweise mit Magnesium oder auch Mangan stabilisiert.
Durch den insgesamt vierschichtigen Aufbau der Wärmedämmschicht 10 aus metallischer Haftvermittlungsschicht 18, der Kontaktschicht 16 aus teilstabilisiertem Zirkoniumoxid, der Zwischenschicht 14 aus Lanthanhexaaluminat und der Deckschicht 16 aus teilstabilisiertem Zirkoniumoxid wird erzielt, dass die thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen den einzelnen Lagen aneinander angepasst sind. Spannungen innerhalb der Wärmedämmschicht 10 werden dadurch minimiert.

Claims

Patentansprüche
1. Wärmedämmschicht für metallische Bauteile, insbesondere für hochtemperaturbelas- tete oder heißgasbelastete Bauteile einer Gasturbine, mit einer inneren Kontaktschicht (12) und einer äußeren Deckschicht (16), wobei die innere Kontaktschicht (12) unter Zwischenanordnung einer Haftvermittlungsschicht (18) auf eine Oberfläche des Bauteils (20) aufgebracht ist, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der äußeren Deckschicht (16) und inneren Kontaktschicht (12) eine Zwischenschicht (14) ausgebildet ist, wobei die Zwischenschicht (14) aus einem Material gebildet ist, welches aus mindestens einer Komponente mit mindestens einer Phase besteht, die stö- chiometrisch 1 bis 80 Mol-% Mx2O3, 0,5 bis 80 Mol-% MyO und als Rest Al2O3 mit zufälligen Verunreinigungen aufweist, wobei Mx aus den Elementen Lanthan, Chrom, Barium, Neodym oder Mischungen hiervon ausgewählt ist, und wobei My aus den Erdalkalimetallen, den Übergangsmetallen und den seltenen Erden oder Mischungen hiervon, vorzugsweise aus Magnesium, Zink, Kobalt, Mangan, Eisen, Nickel, Chrom, Europium, Samarium oder Mischungen hiervon, ausgewählt ist und die innere Kontaktschicht (12) und die äußere Deckschicht (16) aus einem mit Yttrium, Yttriumoxid, Calcium oder Magnesium teilstabilisierten Zirkoniumoxid bestehen.
2. Wärmedämmschicht nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass in der Zwischenschicht (14) Mx2O3 als La2O3 und MyO als MgO ausgeführt ist, wobei die Phase eine Hexaaluminatphase der Magnetoplumbit-Struktur ist.
3. Wärmedämmschicht nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht (14) aus Lanthanhexaaluminat, insbesondere dotiertem Lanthanhexaa- luminat, gebildet ist.
4. Wärmedämmschicht nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Haftvermittlungsschicht (18) metallisch ausgebildet ist.
5. Wärmedämmschicht nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Haftvermittlungsschicht (18) als Aluminium-Schicht oder als Platin-Aluminium-Schicht oder als MCrAlY-Schicht ausgebildet ist.
6. Wärmedämmschicht nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (20) metallisch ausgebildet ist.
7. Wärmedämmschicht nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die äußere Deckschicht (16) eine Schichtdicke zwischen 1 und 250 μm aufweist.
8. Wärmedämmschicht nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Zwischenschicht (14) eine Schichtdicke zwischen 30 und 2250 μm aufweist.
9. Wärmedämmschicht nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass innere Kontaktschicht (12) eine Schichtdicke zwischen 1 und 2250 μm aufweist.
10. Wärmedämmschicht nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Haftvermittlungsschicht (18) eine Schichtdicke zwischen 1 und 650 μm aufweist.
11. Bauteil, insbesondere Bauteil einer Gasturbine wie eines Flugtriebwerks, mit einer auf einer metallischen Bauteiloberfläche aufgebrachten Haftvermittlungsschicht (18) und einer auf die Haftvermittlungsschicht (18) zumindest teilweise aufgebrachten Wärmedämmschicht (10), dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmedämmschicht (10) nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 10 ausgebildet ist.
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