EP3574130A1 - Keramische schicht aus teil- und vollstabilisiertem zirkonoxid - Google Patents

Keramische schicht aus teil- und vollstabilisiertem zirkonoxid

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EP3574130A1
EP3574130A1 EP18714162.7A EP18714162A EP3574130A1 EP 3574130 A1 EP3574130 A1 EP 3574130A1 EP 18714162 A EP18714162 A EP 18714162A EP 3574130 A1 EP3574130 A1 EP 3574130A1
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ceramic
barrier coating
substrate
layer
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EP18714162.7A
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Christopher Degel
Arturo Flores Renteria
Vladimir Gimelfarb
Neil Hitchman
Markus Klupsch
Sascha Martin Kyeck
Travis Patterson
Helge Reymann
Johannes Richter
David G. Sansom
Catrina WALTER
Dimitrios Zois
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    • C04B2237/00—Aspects relating to ceramic laminates or to joining of ceramic articles with other articles by heating
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    • C04B2237/32—Ceramic
    • C04B2237/34—Oxidic
    • C04B2237/345—Refractory metal oxides
    • C04B2237/348—Zirconia, hafnia, zirconates or hafnates

Definitions

  • the invention relates to a ceramic layer system, is sprayed in the partially stabilized and fully stabilized powder as physika ⁇ metallic mixture or has been.
  • Ceramic thermal barrier coatings For high-temperature applications, such as gas turbines, metallic substrates are often protected by ceramic thermal barrier coatings.
  • Typical thermal barrier coatings have zirconia partially stabilized, such as 8 weight percent yttria-stabilized zirconia. Likewise known is fully stabilized zirconium oxide, which then has mostly as a bonding layer teilstabili ⁇ catalyzed zircon layer on the substrate.
  • double-layered systems always have the problem of the difference in coefficients of thermal expansion. It is therefore an object of the invention to solve the above-mentioned problem.
  • the object is achieved by a ceramic layer system according to claim 1.
  • FIGS. 1 to 4 show ceramic thermal barrier coating systems.
  • yttrium partially stabilized zirconia PSZ
  • FSZ yttria fully stabilized zirconia
  • the area specifications for the Sta ⁇ bilmaschine may vary, as can the type of sta- be changed bilisatoren, such. As ytterbium, europium, etc. or mixtures can be used.
  • Figure 1 shows an inventive ceramic layer system 1 ⁇ with a substrate 4 of a preferably existing metal ⁇ metallic bonding layer 7, and in particular MCrAlY-Ba-sis, and an outer ceramic thermal barrier coating 10 having a physical mixture of partially stabilized and (fully stabilized zirconia ZrO > 2).
  • M is preferably nickel (Ni) and / or cobalt (Co).
  • the proportion of FSZ in the mixture or in the TBC is preferably between 10% by weight and 90% by weight.
  • Figure 2 shows a similar embodiment of a layer system 1 ⁇ ⁇ , in which, as indicated by the arrow, in the Kerami ⁇ rule layer 10 ⁇ a concentration gradient C is present, so that the proportion of the fully stabilized phase FSZ, for example, outwardly to the outermost surface 19 increases.
  • the concentration gradient C can vary over the entire
  • Layer thickness of the ceramic layer 10 ⁇ extend or only partially.
  • FIG. 3 shows from Figure 1 or 2, the possibility that the substrate 4, 4 ⁇ and / or the adhesive layer 7 an edited structured surface 13 (Engineered surfaces), in order to achieve a better adhesion of the ceramic thermal barrier coating 10, 10 10 ⁇ ⁇ to the substrate 4 ⁇ or adhesive layer 7 ⁇ .
  • an edited structured surface 13 Engineerered surfaces
  • the structured surface 13 of the substrate 4 ⁇ or the adhesion promoter layer 7 produces an at least 50% greater roughness compared to unprocessed substrates 4 or unprocessed adhesion promoter layers.
  • Figure 4 shows an embodiment starting from Figure 1, 2 or 3, in which starting from the outermost surface 19 of the ceramic thermal barrier coating 10, 10 10 ⁇ ⁇ depressions or longitudinal cracks 16 16 ⁇ ⁇ are present, which were preferably introduced later, for. B. by a laser (laser engravings) or by appropriate coating process or subsequent heat treatment process or which were preferably generated during the coating (Dense Vertical Cracks, DVC).
  • the substrate 4, 4 ⁇ (Fig. 1, 2, 3, 4) may also be of CMC, in which case the adhesive layer 7 also is preferably ke ⁇ Ramisch.

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Abstract

Durch die Verwendung einer physikalischen Mischung von teil-stabilisiertem und vollstabilisiertem Zirkonoxidpulver zur Herstellung einer Wärmedämmschicht werden gute Wärmedämmeigenschaften und mechanische Eigenschaften erzielt.

Description

Teil- und vollstabilisiertes Zirkonoxidpulver als keramische
Schicht
Die Erfindung betrifft ein keramisches Schichtsystem, bei dem teilstabilisiertes und vollstabilisiertes Pulver als physika¬ lische Mischung verspritzt wird oder worden ist.
Für Hochtemperaturanwendungen wie bei Gasturbinen werden me- tallische Substrate oft durch keramische Wärmedämmschichten geschützt .
Typische Wärmedämmschichten (TBC) weisen Zirkonoxid auf, die teilstabilisiert sind wie 8 Gew.-% Yttrium-stabilisiertes Zirkonoxid. Ebenso bekannt ist vollstabilisiertes Zirkonoxid, das dann meistens als Anbindungsschicht eine teilstabili¬ sierte Zirkonschicht auf dem Substrat aufweist. Doppellagige Systeme haben aber immer das Problem des Unterschieds in thermischen Ausdehnungskoeffizienten . Es ist daher Aufgabe der Erfindung oben genanntes Problem 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. Es zeigen Figuren 1 bis 4 keramische Wärmedämmschichtsysteme.
Es wird vorgeschlagen, eine physikalische Mischung von teil¬ stabilisiertem und vollstabilisiertem Zirkonoxid zu verwenden. Vorzugsweise wird 8 Gew.-% Yttrium-teilstabilisiertes Zirkonoxid (PSZ) und 22% bis 48% Yttrium-vollstabilisiertes Zirkonoxid (FSZ) verwendet. Die Bereichsangaben für die Sta¬ bilisierung können variieren, ebenso können die Art der Sta- bilisatoren verändert werden, wie z. B. Ytterbium, Europium usw. oder auch Mischungen können verwendet werden.
Figur 1 zeigt ein erfindungsgemäßes keramisches Schichtsystem 1 λ mit einem Substrat 4 einer vorzugsweise vorhandenen metal¬ lischen Haftvermittlerschicht 7, insbesondere auf MCrAlY-Ba- sis, und einer äußeren keramischen Wärmedämmschicht 10, die eine physikalische Mischung von teilstabilisiertem und voll- stabilisiertem Zirkonoxid (ZrC>2) aufweist. M ist vorzugsweise Nickel (Ni) und/oder Kobalt (Co) .
Für die Herstellung der keramischen Wärmedämmschicht 10 werden entweder Pulver aus FSZ und PSZ miteinander vorab ver- mischt und versprüht oder Pulver aus FSZ und PSZ werden in¬ nerhalb einer Spritzdüse zusammengeführt und zusammen aufge¬ spritzt .
Andere Vorgehensweisen sind möglich. Der Anteil von FSZ in der Mischung oder in der TBC beträgt vorzugsweise zwischen 10 Gew.-% und 90 Gew.-%.
Figur 2 zeigt eine ähnliche Ausführung eines Schichtsystems 1λ λ, bei der, wie durch den Pfeil angedeutet, in der kerami¬ schen Schicht 10 λ ein Konzentrationsgradient C vorhanden ist, so dass der Anteil der vollstabilisierten Phase FSZ beispielsweise nach außen hin zur äußersten Oberfläche 19 ansteigt .
Der Konzentrationsgradient C kann sich über die gesamte
Schichtdicke der keramischen Schicht 10 λ erstrecken oder auch nur teilweise.
Die Figur 3 zeigt ausgehend von Figur 1 oder 2 die Möglichkeit, dass das Substrat 4, 4λ und/oder die Haftvermittlerschicht 7 eine bearbeitete strukturierte Oberfläche 13 (engineered surfaces) aufweist, um eine bessere Anhaftung der keramischen Wärmedämmschicht 10, 10 10 λ λ an das Substrat 4λ oder Haftvermittlerschicht 7λ zu erzielen.
Die strukturierte Oberfläche 13 des Substrats 4 λ oder der Haftvermittlerschicht 7 stellt eine mindestens 50% größere Rauheit gegenüber unbearbeiteten Substraten 4 oder unbearbeiteten Haftvermittlerschichten her.
Figur 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel ausgehend von Figur 1, 2 oder 3, bei dem ausgehend von der äußersten Oberfläche 19 der keramischen Wärmedämmschicht 10, 10 10 λ λ Vertiefungen oder Längsrisse 16 16 λ λ vorhanden sind, die vorzugsweise nachträglich eingebracht wurden, z. B. durch einen Laser (laser engravings) oder durch entsprechende Beschichtungsver- fahren bzw. nachträgliche Wärmebehandlungsverfahren oder die vorzugsweise während des Beschichtens erzeugt wurden (Dense Vertical Cracks, DVC) . Die Merkmale der Risse 16 16 λ λ, ... oder Vertiefungen 16
16 λ λ, ... (Fig. 4) und/oder der bearbeiteten Haftoberfläche 13 (Fig. 3) können miteinander kombiniert (Fig. 2, 3, 4) werden kann . Das Substrat 4, 4λ (Fig. 1, 2, 3, 4) kann auch aus CMC sein, wobei dann die Haftvermittlerschicht 7 vorzugsweise auch ke¬ ramisch ist.

Claims

Patentansprüche
1. Keramisches Wärmedämmschichtsystem (1λ, 1λ λ, 1λ λ λ, 1IV) , das zumindest aufweist:
ein Substrat (4, 4 λ) ,
insbesondere
entweder ein metallisches Substrat (4, 4λ),
ganz insbesondere auf Nickel- oder Kobalt-Superlegierungs- basis,
oder
ein Substrat (4, 4λ) aus CMC;
insbesondere eine Haftvermittlerschicht (7),
die
entweder
im Falle eines metallischen Substrats (4, 4 ) metallisch ist,
insbesondere eine MCrAlY-Legierung aufweist,
wobei M für Nickel und/oder Kobalt steht,
vorzugsweise Nickel und Kobalt,
oder
im Falle eines Substrats (4, 4λ) aus CMC eine keramische Anbindungsschicht ;
sowie eine äußere keramische Wärmedämmschicht (10, 10 10λ λ),
die (10, 10 10 λ λ) Körner sowohl aus teilstabilisiertem (PSZ) als auch vollstabilisiertem (FSZ) Zirkonoxid aufweist.
2. Keramisches Wärmedämmschichtsystem nach Anspruch 1, bei dem die Stabilisierung des Zirkonoxids durch Yttriumoxid erfolgt,
insbesondere 8% für die Teilstabilisierung und/oder 22% bis 48% für Vollstabilisierung.
3. Keramisches Wärmedämmschichtsystem nach einem oder beiden der Ansprüche 1 oder 2,
bei dem die Konzentration (c) des vollstabilisierten
Zirkonoxids (FSZ) zur äußersten Oberfläche (19) der kerami- sehen Wärmedämmschicht (10 10 λ λ) zunimmt.
4. Keramisches Wärmedämmschichtsystem (1) nach einem oder beiden der Ansprüche 1 oder 2,
bei dem das Mischungsverhältnis von PSZ und FSZ über die gesamte Dicke der keramischen Schicht (10, 10 λ λ) konstant ist .
5. Keramisches Wärmedämmschichtsystem (1) nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2, 3 oder 4,
bei dem ausgehend von der äußersten Oberfläche (19) der keramischen Schicht (10, 10 10 λ λ)
Vertiefungen (16 16 λ λ, ...) oder
längere vertikale Risse (16 16 λ λ, ...) vorhanden sind, die insbesondere per Laser eingebracht wurden oder
während des Beschichtungsverfahrens oder
durch eine Nachbehandlungsmethode
erzeugt wurden.
6. Keramisches Wärmedämmschichtsystem nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche,
bei dem die Oberfläche des Substrats (4λ) oder der Haftver- mittlerschicht (7) auf dem Substrat (4λ),
auf der die keramische Schicht (10) oder die Haftvermitt¬ lerschicht (7) aufgebracht ist,
bearbeitet wurde.
7. Keramisches Wärmedämmschichtsystem nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche,
bei dem der Anteil von FSZ mindestens 10 Gew.-% und maximal 90 Gew.-% beträgt.
EP18714162.7A 2017-04-10 2018-03-13 Keramische schicht aus teil- und vollstabilisiertem zirkonoxid Withdrawn EP3574130A1 (de)

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