EP3180458A1 - Doppellagige zirkonoxidschicht mit hochreinem anteil - Google Patents

Doppellagige zirkonoxidschicht mit hochreinem anteil

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EP3180458A1
EP3180458A1 EP15778241.8A EP15778241A EP3180458A1 EP 3180458 A1 EP3180458 A1 EP 3180458A1 EP 15778241 A EP15778241 A EP 15778241A EP 3180458 A1 EP3180458 A1 EP 3180458A1
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ceramic
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thermal barrier
ceramic layer
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    • F05D2300/502—Thermal properties
    • F05D2300/5023—Thermal capacity

Definitions

  • the invention relates to a two-layer ceramic heat-insulating layer in which high-purity zirconium oxide is used.
  • GZO gadolinium zirconate
  • the figure shows schematically a layer system.
  • nickel or cobalt-based superalloys are used in particular for turbine components or components for high temperature applications.
  • a metallic adhesive layer 7 is present on the substrate 4, in particular directly on the substrate 4, a metallic adhesive layer 7 is present.
  • this is a primer layer 7 of a NiCoCrAlX coating, wherein X represents rhenium (Re), yttrium (Y), silicon (Si), iron (Fe) and / or tantalum (Ta).
  • X represents rhenium (Re), yttrium (Y), silicon (Si), iron (Fe) and / or tantalum (Ta).
  • Re rhenium
  • Y yttrium
  • Si silicon
  • Fe iron
  • Ta tantalum
  • a ceramic thermal barrier coating 13 is applied with an inner ceramic layer 15 and an outer ceramic layer 18 on the inner ceramic layer 15th
  • the outer ceramic layer 18 is preferably also the outermost layer.
  • the materials for the inner ceramic layer and the outer ceramic layer 15 are preferably the same.
  • the inner ceramic layer 15 preferably comprises a zirconium oxide layer which is partially stabilized, with yttrium (Y), very particularly preferably only yttrium (Y), being used for the stabilization.
  • Y yttrium
  • Y very particularly preferably only yttrium
  • the proportion of yttrium (Y) is preferably 8% by weight.
  • the outer ceramic layer 18 preferably also has zirconium oxide, but with respect to the inner zirconium oxide layer 15 is at least 20% purer, in particular at least 50 6 pure, of chemical impurities.
  • the proportion of yttrium (Y) here is also preferably 8
  • the chemical impurities of the ceramic layers 18, 15 are in particular hafnium oxide and / or aluminum oxide and / or silicon oxide and / or iron oxide and / or titanium oxide and / or magnesium oxide and / or calcium oxide.
  • Purity can be based on one, several or all Impurities ⁇ gene of the powder or of the film produced.
  • the outer ceramic thermal barrier coating 18 preferably has a porosity of 16% to 24%, in particular of 18% to 22%, very particularly of 20%.
  • the porosity is preferably measured in vol%.
  • the inner ceramic layer (15) has an at least 3vol% lower porosity.
  • the outer ceramic layer (18) is Minim ⁇ least 10%, carried out in particular 20% thicker to better utilize the heat insulating effect ⁇ . Due to the lower proportions of impurities and thus melting point lower deteriorated sintering properties are given, so that the layer can withstand the higher tempera ren while maintaining the porosity longer at higher temperatures.

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Abstract

Durch die Verwendung von hochreinerem Zirkonoxidmaterial für die äußerste Wärmedämmschicht eines zweilagigen Wärmedämmschichtsystems werden verbesserte und langlebige Schichtsysteme für den Hochtemperatureinsatz erzielt.

Description

Doppellagige Zirkonoxidschicht mit hochreinem Anteil
Die Erfindung betrifft eine zweilagige keramische Wärmedämm- Schicht, bei dem hochreines Zirkonoxid verwendet wird.
Um den immer höheren Temperaturen im Gasstrom der neuesten Generationen von Gasturbinen standzuhalten, werden immer anspruchsvollere Techniken benötigt, die die GT-Komponenten zu schützen. Das beinhaltet die Verwendung von hochtemperatur- festen Superlegierungen, das Nutzen von Filmkühlung und die Beschichtung der Komponenten mit Oxidations- und Wärmedämmschichten . Die modernen GT-Komponenten werden häufig mit einer Schicht aus teilstabilisiertem Zirkonoxid (8YSZ) und Gadolinium- zirkonat (GZO) versehen. Das GZO bietet Vorteile, da der Wärmedurchgangskoeffizient von GZO geringer ist als der von 8YSZ und die Sinterneigung geringer ist. Das GZO-Pulver ist jedoch teurer.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung oben genannte Probleme zu lösen . Die Aufgabe wird gelöst durch ein keramisches Schichtsystem gemäß Anspruch 1.
In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Maßnahmen aufgelistet, die beliebig miteinander kombiniert werden kön- nen, um weitere Vorteile zu erzielen.
Die Figur zeigt schematisch ein Schichtsystem.
Die Figur und die Beschreibung stellen nur Ausführungsbei- spiele der Erfindung dar. Als Substrat 4 eines keramischen Wärmedämmschichtsystems 1 werden insbesondere bei Turbinenbauteilen oder Bauteilen für Hochtemperaturanwendungen Nickel- oder Kobalt-basierte Super- legierungen verwendet.
Auf dem Substrat 4, insbesondere direkt auf dem Substrat 4, ist eine metallische Haftvermittlerschicht 7 vorhanden.
Vorzugsweise ist dies eine Haftvermittlerschicht 7 aus einer NiCoCrAlX-Beschichtung, wobei X Rhenium (Re) , Yttrium (Y) , Silizium (Si) , Eisen (Fe) und/oder Tantal (Ta) darstellt. Auf der metallischen Haftvermittlerschicht 7 wird eine Oxid¬ schicht 10 erzeugt oder beim Beschichten mit einer keramischen Beschichtung 13 bzw. im Einsatz wächst eine Aluminiumoxidschicht 10 als Oxidationsschutz .
Auf der metallischen Haftvermittlerschicht 7 oder auf der Aluminiumoxidschicht 10 wird eine keramische Wärmedämmschicht 13 aufgebracht mit einer inneren keramischen Schicht 15 und einer äußeren keramischen Schicht 18 auf der inneren keramischen Schicht 15.
Die äußere keramische Schicht 18 ist vorzugsweise auch die äußerste Schicht.
Die Materialien für die innere keramische Schicht und äußere keramische Schicht 15 sind vorzugsweise gleich.
Die innere keramische Schicht 15 weist vorzugsweise eine Zirkonoxidschicht auf, die teilstabilisiert ist, wobei zur Stabilisierung vorzugsweise Yttrium (Y) , ganz besonders bevorzugt nur Yttrium (Y) verwendet wird.
Der Anteil von Yttrium (Y) beträgt vorzugweise 8 Gew.-%.
Die äußere keramische Schicht 18 weist vorzugsweise auch Zir- konoxid auf, ist aber bezüglich der inneren Zirkonoxidschicht 15 um mindestens 20% reiner, insbesondere mindestens 50 ~6 rei ner an chemischen Verunreinigungen.
Der Anteil von Yttrium (Y) beträgt auch hier vorzugweise 8 Die chemischen Verunreinigungen der keramischen Schichten 18, 15 stellen insbesondere Hafniumoxid und/oder Aluminiumoxid und/oder Siliziumoxid und/oder Eisenoxid und/oder Titanoxid und/oder Magnesiumoxid und/oder Kalziumoxid dar.
Die Reinheit kann auf eine, mehrere oder alle Verunreinigun¬ gen des Pulvers oder der hergestellten Schicht bezogen werden .
Es ist also ein Zr02-Pulver/Schicht mit 5% weniger Hf02, 5% weniger AI2O3, 5% weniger S1O2 und 5% weniger T1O2 20% reiner. Gleiches gilt wenn ein Zr02-Pulver/Schicht 20% weniger AI2O3 und ansonsten vergleichbare Werte für die anderen Verunreinigungen aufweist.
Dies gilt nicht nur für Zirkonoxid, sondern auch, wenn andere Materialien für die keramische Schicht 13 verwendet werden.
Vorzugsweise weist die äußere keramische Wärmedämmschicht 18 eine Porosität von 16% bis 24%, insbesondere von 18% bis 22%, ganz insbesondere von 20% auf.
Die Porosität wird vorzugsweise in vol% gemessen.
Vorzugsweise weist die innere keramische Schicht (15) eine mindestens um 3vol% geringere Porosität auf.
Vorzugsweise ist die äußere keramische Schicht (18) mindes¬ tens 10%, insbesondere 20% dicker ausgeführt, um den Wärme¬ dämmeffekt besser auszunutzen. Durch die geringeren Anteile an Verunreinigungen und damit Schmelzpunkterniedriger sind verschlechterte Sintereigenschaften gegeben, so dass die Schicht den höheren Temperatu¬ ren unter Beibehaltung der Porosität länger bei höheren Temperaturen standhalten kann.

Claims

Patentansprüche
Keramisches Wärmedämmschichtsystem (1),
zumindest aufweisend:
ein Substrat ( 4 ) ,
eine metallische Haftvermittlerschicht (7) auf dem Substrat (4) ,
esondere direkt auf dem Substrat (4 ) ,
onal eine Aluminiumoxidschicht (10) oder
aus der Haftvermittlerschicht (7) gewachsene Oxid- cht (10) direkt auf der metallischen Haftvermittler- cht (7) ,
innere keramische Schicht (15) auf der Haftvermittler cht (7) ,
eine äußere, insbesondere äußerste,
keramische Schicht (18) auf der inneren keramischen
Schicht,
wobei die innere keramische Schicht (15) und die äußere keramische Schicht (18) zusammen die keramische Wärmedämm¬ schicht (13) auf der Haftvermittlerschicht (7) darstellen, wobei die äußere keramische Schicht (18) in ihrer chemi¬ schen Zusammensetzung mindestens 20% reiner,
insbesondere mindestens 50% reiner,
ist als die innere keramische Schicht (15) .
2. Schichtsystem nach einem Anspruch 1,
bei dem die Verunreinigungen der keramischen Wärmedämmschicht (13) zumindest Hafniumoxid und/oder Aluminiumoxid und/oder Siliziumoxid und/oder Eisenoxid und/oder Titanoxid und/oder Magnesiumoxid und/oder Kalziumoxid darstellen.
3. Schichtsystem nach einem oder beiden der Ansprüche 1 oder 2,
bei dem das Material der inneren keramischen Schicht (15), und der äußeren keramischen Schickt (18) das gleiche ist.
4. Schichtsystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2 oder 3,
bei dem die äußere keramische Wärmedämmschicht (18) eine Porosität von mindestens 16%,
insbesondere von 16% bis 24% aufweist.
5. Schichtsystem nach Anspruch 4,
bei dem die Porosität der äußeren keramischen Schicht (18) bei 18% bis 22%,
insbesondere bei 20% liegt.
6. Schichtsystem nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche,
bei dem das Material der inneren keramischen Schicht (15), und/oder der äußeren keramischen Schickt (18) Zirkonoxid aufweist,
insbesondere teilstabilisiertes Zirkonoxid,
ganz insbesondere yttriumstabilisiertes Zirkonoxid.
7. Schichtsystem nach Anspruch 6,
bei dem der Anteil von Yttrium (Y) bei 8Gew% liegt.
8. Schichtsystem nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche,
bei dem die innere keramische Schicht (15) gegenüber der äußeren keramischen Schicht (18) eine um mindestens 3Vol% kleinere Porosität aufweist.
Schichtsystem nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche,
bei dem die keramische Wärmedämmschicht (13) nur zweilagig (15, 18) ausgebildet ist.
10. Schichtsystem nach einem oder mehreren der vorhergehen- den Ansprüche,
bei dem die äußere keramische Wärmedämmschicht (18) mindes¬ tens 10%,
insbesondere mindestens 20% dicker
ausgebildet ist als die innere keramische Wärmedämmschicht (15) .
EP15778241.8A 2014-10-08 2015-09-30 Doppellagige zirkonoxidschicht mit hochreinem anteil Withdrawn EP3180458A1 (de)

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