EP3717441A1 - Keramischer werkstoffverbund mit einer verbindungsschicht aus einem molybdän-titancarbid-kompositwerkstoff, bauteil, gasturbine, sowie verfahren - Google Patents

Keramischer werkstoffverbund mit einer verbindungsschicht aus einem molybdän-titancarbid-kompositwerkstoff, bauteil, gasturbine, sowie verfahren

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EP3717441A1
EP3717441A1 EP19702000.1A EP19702000A EP3717441A1 EP 3717441 A1 EP3717441 A1 EP 3717441A1 EP 19702000 A EP19702000 A EP 19702000A EP 3717441 A1 EP3717441 A1 EP 3717441A1
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EP
European Patent Office
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layer
composite material
diffusion barrier
molybdenum
ceramic
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP19702000.1A
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English (en)
French (fr)
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Jens Dahl Jensen
Oliver Stier
Gabriele Winkler
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Siemens AG
Siemens Corp
Original Assignee
Siemens AG
Siemens Corp
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Filing date
Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F05D2300/6033—Ceramic matrix composites [CMC]

Definitions

  • a first aspect relates to a composite material having a first layer of a first ceramic material and egg ner second layer of a second ceramic material.
  • a second aspect of the invention relates to a component with egg nem such composite materials.
  • a third aspect of the inven tion relates to a gas turbine with such a component.
  • a fourth aspect of the invention finally relates to a procedural ren for producing such a composite material.
  • a component for a high temperature application may comprise a metallic carrier body coated with a ceramic material.
  • a thermal barrier layer which is formed by the ceramic material, a thermal capacity of the component can be increased. This is advantageous, for example, in gas turbines, where a higher combustion temperature is made possible by increasing the thermal capacity of the construction. Increasing the combustion temperature increases the thermodynamic efficiency of the gas turbine, which can result in reduced fuel consumption and emissions.
  • the thermal capacity can be increased if the thermal barrier coating is formed from a composite material of two different ceramic materials.
  • This composite material may comprise a first layer of a ceramic first material and a second layer of a ceramic second material.
  • the problem is that the first material and the second material can have different thermal expansion coefficients or other deviating mechanical properties. This can result in mechanical or thermal stress Sprühbrü surface of the composite materials. This is especially true because ceramic materials are usually extremely brittle.
  • the invention is based on a composite material with a first layer which is formed at least of a ceramic first material and a second layer disposed on the first layer, which is formed at least from a different from the first material second ceramic material.
  • the first layer and the second layer can each be extended in a planar manner. This means that the thickness of the first layer and / or the second layer is small compared to the extent along two spatial directions perpendicular to the thickness.
  • "low” means in particular that a factor of at least 10, at least 100 or at least 1000 between the thickness of the first layer or the second layer and each of the spatial directions is perpendicular to the thickness.
  • the invention provides that a between the first layer and the second layer angeord Nete and at least partially formed of a molybdenum-titanium carbide composite material connecting layer, via which the first layer with the connected to the second layer, is seen.
  • the first layer is connected to the second layer via a bonding layer, wherein the bonding layer is at least partially formed from a molybdenum-titanium carbide composite material.
  • the connecting layer is formed exclusively from the molybdenum-titanium carbide composite material.
  • the bonding layer is formed from a mixture of materials comprising the molybdenum-titanium carbide composite and at least one other material.
  • the molybdenum-titanium carbide composite material is characterized by a plastic extensibility of up to 10 percent at room temperature, an unlimited compressive ductility of over 1200 degrees Celsius and a high thermal load capacity.
  • the molybdenum-titanium carbide composite material is effectively an "elastic ceramic.”
  • an elastic and nevertheless thermally loadable bonding layer is arranged between the first layer and the second layer Receiving stresses between the first layer and the second layer, which may result, for example, from the different coefficients of thermal expansion, in this way the thermal and / or mechanical resilience of the composite material can be improved over the prior art by means of the bonding layer according to the invention.
  • the bonding layer so well be the first layer and the second layer directly be stirred.
  • the bonding layer is disposed between the first layer and the second layer and in direct mechanical contact with both the first layer and the second layer.
  • between the first layer and the connecting layer and / or inter mediate the connecting layer and the second layer each have small air pockets.
  • the connec tion layer is connected to both the first layer and the second layer via at least one respective Stoffschlüssi ge connection.
  • the first layer is firmly bonded by atomic or molecular forces to the bonding layer.
  • connection layer can be connected to the first layer and / or the second layer via an intermediate layer by means of two material-bonded connections. Consequently, the first layer and the second layer are indirectly, namely at least connected via bonding layer, materially connected to each other. This results in a particularly stable structure for the composite material. In addition, this me mechanical load capacity can be further increased.
  • the bonding layer is directly bonded to the first layer and / or to the second layer.
  • the bonding layer directly contacts the first layer and / or the second layer, wherein a material bond is formed on a respective contact surface.
  • the mechanical load capacity he continues to be increased.
  • a first diffusion barrier is arranged between the first layer and the connecting layer and / or a second diffusion barrier is arranged between the second layer and the connecting layer.
  • the composite material between the first layer and the United bonding layer may have the first diffusion barrier.
  • the material composite between the second layer and the bonding layer may be the second diffusion layer. have a release lock.
  • the respective diffusion barrier can form one of the abovementioned intermediate layers.
  • the connecting layer can be protected from chemical reactions, in particular oxidation.
  • the first diffusion barrier and / or the second diffusion barrier can for this purpose be designed to prevent the introduction of reagents, in particular oxygen, into the bonding layer.
  • the first diffusion barrier and / or the second diffusion barrier can be formed at least from aluminum oxide.
  • the first diffusion barrier and / or the second diffusion barrier can be formed from a material mix for the diffusion barrier, which comprises aluminum oxide and a further material.
  • the first diffusion barrier and / or the second diffusion barrier may finally be formed of aluminum oxide.
  • the first Dif fusion barrier is applied by means of atomic layer deposition on the first layer and / or the second diffusion barrier is brought by means of atomic layer deposition on the bonding layer.
  • the first layer may be coated with the first diffusion barrier by means of atomic layer separation.
  • the connec tion layer may be coated by atomic layer deposition with the second diffusion barrier. Due to the principle of atomic layer deposition, the respective diffusion barrier can have a particularly homogeneous and contamination-free structure, have a particularly defined thickness, and are particularly thin be and / or have a particularly defect-free crystal structure. As a result, mechanical or chemical properties of the respective respective diffusion barrier can be improved and / or the diffusion of the reagents, in particular of oxygen, can be prevented particularly well.
  • the first material is a ceramic fiber composite material, which is formed in particular of at least ceramic fibers of a ceramic matrix, in which the fibers are embedded.
  • the first material may thus be a ceramic fiber composite material, which is also referred to by the English term "Ceramic Matrix Composite", in short "CMC".
  • the fiber composite material has an internal structure consisting of the ceramic fibers and the ceramic matrix.
  • the fibers may be embedded in the matrix. In other words, the fibers may be surrounded by the matrix.
  • the fibers may be, for example, mullite fibers.
  • Mullite is a mixture of alumina and silica.
  • the matrix can be formed at least from aluminum oxide, silicon oxide or a mixture of aluminum oxide and silicon oxide.
  • Such fiber composites are characterized by a high mechanical and thermal capacity.
  • the second material has a higher heat resistance and / or corrosion resistance than the first material.
  • the second layer may have a higher heat resistance and / or corrosion resistance than the first layer.
  • the second layer may be formed as a heat shield or corrosion protection for the first layer.
  • the fact that the second layer or the second material has the higher hit resistance and / or corrosion resistance, a resistance of the composite material against thermal stress and / or against corrosion altogether can be further improved.
  • the second material is formed by yttrium-stabilized zirconium oxide.
  • Yttrium-stabilized zirconium oxide has a particularly high thermal stability. Because of that, the second
  • Layer is gebil det at least from yttrium-stabilized zirconia, can be an additional increased thermal load availability of the composite material result.
  • a second aspect of the invention relates to a component, wel ches is formed at least from the composite material described above and below.
  • the component is at least partially made from said material composite.
  • a component for Hochtem temperature applications can be provided, which has a ver improved thermal and / or mechanical strength on.
  • the component has at least one carrier body, which is at least partially provided with the material composite as a heat shield.
  • the carrier body can form a skeleton of the component.
  • This basic framework or the carrier body can at least partially be provided or coated with the composite material as a heat shield.
  • the composite material or the heat shield is designed to protect the carrier body from thermal stress.
  • the composite material or the heat shield can be arranged as a thermal insulator on the carrier body.
  • the carrier body is formed of a material different from the first and the second material, in particular a metallic material.
  • the me-metallic material is a metallic alloy, again preferably a so-called superalloy.
  • Metallic materials, in particular metallic alloys are characterized by high stability with low weight. By combining the metallic carrier body with the material verbund an even lighter and / or more stable and still particularly thermally resilient component created who the.
  • the third material may in particular be a nickel or cobalt superalloy.
  • Such a component is particularly suitable for use of a gas turbine.
  • a third aspect therefore relates to a gas turbine with a previously described in the following and NEN component.
  • the component is a thermally be particularly loaded component of the gas turbine. Due to the high thermal capacity, a combustion temperature of the gas turbine according to the invention over the prior art can be increased. This increased combustion temperature results in increased thermodynamic efficiency. From the increased efficiency, a lower fuel consumption and thus a lower pollutant emissions result ren.
  • Another aspect of the invention relates to a method for producing a composite material, in which a first layer of at least one ceramic first material and a second layer disposed on the first layer and at least made of a different from the first material Ke ramischen second material.
  • the second layer is thus net angeord on the first layer.
  • an interconnection layer formed at least partially of a molybdenum-titanium carbide composite material is arranged, via which the first
  • the connecting layer can be gebil det by the molybdenum-titanium carbide composite material applied to the first layer or applied.
  • the first layer can be coated with the tie layer.
  • the molybdenum-titanium carbide composite material by means of cold gas spraying on the first
  • the molybdenum-titanium carbide composite material undergoes no phase transformation and no oxidation.
  • the process temperature of about 1100 degrees Celsius is well below the melting temperature of the molybdenum-titanium carbide composite material of over 2600 degrees Celsius.
  • the particles strike the respective substrate in an inert gas stream, in this case the first layer.
  • the purity of the molybdenum-titanium carbide composite material is maintained.
  • the molybdenum-titanium carbide composite material in the form of porous powder on the substrate, in this case the first layer applied or applied.
  • the porous powder particles may be preformed from molybdenum microparticles and titanium carbide microparticles having a size of a few microns or less than a micrometre. Due to the porosity of the powder particles, they collide on impact with the substrate, in this case the first layer, whereby the substrate is not damaged.
  • the microparticles of the molybdenum-titanium carbide composite material have a porosity of at least 5 percent, at least 10 percent, at least
  • a first diffusion barrier is arranged between the first layer and the connecting layer, and / or a second diffusion barrier is arranged between the second layer and the United bonding layer.
  • the first diffusion barrier is applied or applied to the first layer.
  • the first layer can be coated with the first diffusion barrier.
  • the compound layer is not applied to the first layer relationship, applied, but on the diffusion barrier.
  • the sub strate for the cold gas spraying of the connecting layer is in this case thus the first diffusion barrier and not the first layer.
  • the second diffusion barrier can be arranged on the connection layer.
  • the connecting layer is coated with the second diffusion barrier.
  • the second diffusion barrier can be applied to the compound layer or applied.
  • the first Dif fusionssperre is applied by means of atomic layer deposition on the first layer and / or the second diffusion barrier is brought to the bonding layer by means of atomic layer deposition.
  • the coating of the first layer with the first diffusion barrier takes place by means of atomic layer deposition and / or the coating of the bonding layer with the second diffusion barrier by means of atomic layer deposition. Due to the principle of atomic layer deposition, a particularly homogeneous and contamination-free structure, a particularly defined layer thickness, a particularly small or thin layer thickness and / or a particularly defect-free crystal structure can be achieved for the respective diffusion barrier. As a result, mechanical or chemical properties of the respective diffusion barrier can be improved ver and / or the diffusion of the reagents, in particular special oxygen, are particularly well prevented.
  • the composite material 1 shows a composite material 1 in an extremely schematic sectional view.
  • the composite material 1 is arranged in front of a support body 7.
  • the composite material 1 comprises a first layer 2 and a second layer 3, the second layer 3 being arranged above the first layer 2.
  • the first layer 2 is formed at least of a ke ramischen first material.
  • the first layer is formed exclusively from the ceramic first material.
  • the second layer 3 is formed at least from a material different from the first material ceramic second material.
  • the second material is a ceramic material that is different from the first material.
  • the first material and the second material are thus different ceramics.
  • the second layer 3 is formed exclusively of the second material.
  • the first material is a ceramic fiber composite material.
  • the ceramic fiber composite material comprises ceramic fibers 20 and a ceramic matrix 21 in which the fibers 20 are embedded.
  • the fiber composite material comprises the matrix 21 and the fibers 20, the fibers 20 being enveloped by the matrix 21.
  • the fibers 20 are mullite fibers.
  • the mullite fibers can be spun fibers which consist of alumina (AL 2 O 3 ) and silicon oxide (SiCg).
  • the matrix 21 may be made of alumina and / or
  • Silica be formed.
  • the matrix 21 is formed of aluminum oxide, since this embodiment is more favorable to manufacture.
  • the second material is yttrium-stabilized zirconium oxide.
  • the second layer 3 is formed at least from the yttrium-stabilized zirconia.
  • the second layer 3 is finally formed from the yttrium-stabilized zirconium oxide.
  • the second plant Substance has a higher heat resistance and / or corrosion resistance than the first material. This is especially true for yttria-stabilized zirconia.
  • Both the first layer 2 and the second layer 3 are presently brittle, that is they have a low ductility or elasticity. In the case of mechanical or thermal stress, this can lead to stresses between the first layer 2 and the second layer 3, if they are arranged directly on top of each other, thus touching each other. Stress due to thermal stress can occur in particular when the first layer 2 and the second
  • Layer 3 have a different thermal expansion coefficient.
  • a connection layer 4 is arranged between the first layer 2 and the second layer 3.
  • the connecting layer 4 advantageously has elastic properties. In this way, stresses between the first layer 2 and the second layer 3 can be absorbed by elastic or ductile deformation of the connecting layer 4. This can be followed by an improved thermal and / or mechanical strength for the composite material.
  • the bonding layer 4 it is necessary for the bonding layer 4 to have a thermal load-bearing capacity that is adequate for this purpose, and in particular to retain its elasticity or ductility even under high thermal stress.
  • the connecting layer 4 is therefore at least gebil det of a molybdenum-titanium carbide composite material.
  • the connection layer 4 is exclusive made of the molybdenum-titanium carbide composite material.
  • the bonding layer 4 is connected to both the first layer 2 and the second layer 3 at least indirectly cohesively.
  • the connection layer 4 may touch the first layer 2 and be connected to it directly in a materially bonded manner.
  • the connecting layer 4 may touch the second layer 3 and be connected to it in a material-locking manner.
  • a first diffusion barrier 5 is arranged between the first layer 2 and the bonding layer 4.
  • the first diffusion barrier 5 is connected to the bonding layer 4 and the first layer 2 in each case directly in a materially bonded manner.
  • the first diffusion barrier 5 so well touches the connecting layer 4 and the first layer 2 and has at the respective contact surface a respective material connection.
  • the connection layer 4 indirectly, that means on the first diffusion barrier 5, with the first layer 2 is materially connected.
  • Layer 3 is presently a second diffusion barrier 6 is arranged.
  • the second diffusion barrier 6 is connected to the connec tion layer 4 and the second layer 3 cohesively a related party.
  • the second diffusion barrier 6 contacts both the Ver bonding layer 4 and the second layer 3 and has at the respective contact surface on a respective material connection.
  • the connection layer 4 is connected indirectly, that is to say via the second diffusion barrier 6, to the second layer 3 in a materially bonded manner.
  • the optional first diffusion barrier 5 and / or the optional second diffusion barrier 6 are each designed to prevent the penetration or diffusion of harmful reagents into the bonding layer 4.
  • the diffusion barriers 5 and 6 are designed to prevent the penetration or diffusion of oxygen into the bonding layer 4.
  • the diffusion barriers 5, 6 undesirable chemical reactions, in particular oxidation, at the connecting layer 4 the under. This is particularly important if the connec tion layer 4 yttrium stabilized zirconia comprises, as this oxidized under the influence of oxygen and lose its elastic rule or ductile properties.
  • the first diffusion barrier 5 and / or the second diffusion barrier 6 can each be made of aluminum oxide.
  • first diffusion barrier 5 can in particular be dispensed ver, if penetration of the undesirable reagents zien, in particular oxygen, already by the first diffusion barrier 5
  • the second diffusion barrier 6 can be dispensed with, in particular, when the penetration of the undesired reagents, in particular oxygen, through the second layer 3 is already prevented to a sufficient extent.
  • the composite material 1 or the first layer 2 is arranged on the carrier body 7.
  • the Trä ger stresses 7 is preferably formed at least one of the ers th material and the second material different third material.
  • the third material is a metal or a metallic alloy.
  • the carrier body 7 and the composite material 1 may be part of a component 11 ei.
  • the component 11 may have a particularly high thermal resistance compared to other components by the vorlie ing arrangement.
  • the composite material 1 forms a thermal barrier coating on the carrier body 7.
  • the composite material 1 forms a heat shield 13 for the carrier body 7.
  • Layer 3 each partial insulation layers. For this reason, the second layer 3 has a higher thermal load capacity than the first layer 2.
  • the first layer 2 may in turn have a higher thermal load capacity than the carrier body 7.
  • the second layer 3 may have a thickness of about 300 microns.
  • the second layer 3 may be referred to by the technical term "Thermal Barrier Coating", in short "TBC", for example thermal insulation coatings
  • TBC Thermal Barrier Coating
  • the thermal barrier coatings are known to those skilled in the art
  • the second diffusion barrier 6 and the first diffusion barrier 5 may each The bonding layer may advantageously have a thickness of about 300 to 500 micrometers
  • the first layer 2 may have a thickness of about 3 to 5 millimeters.
  • firstly the first diffusion barrier 5 can be arranged on the first layer 2 or applied to the first layer 2.
  • first the first layer 2 can be coated with the first diffusion barrier 5.
  • the first diffusion barrier 5 tion by means of Atomlagenabschei.
  • the atomic layer deposition allows a particularly thin layer thickness, a particularly high defined layer thickness and a particularly defect-free and uniform distribution of the first diffusion barrier 5 on the first layer 2.
  • the molybdenum-titanium carbide composite material is placed on the first diffusion barrier 5.
  • the connecting layer 4 is applied to the first layer 2 or arranged on the first layer 2.
  • the first layer 2 or the first diffusion barrier 5 is coated with the bonding layer 4.
  • the arrangement of the connec tion layer 4 and the coating with the United bonding layer 4 is advantageously carried out by cold gas. This method is particularly advantageous because the composite material undergoes no phase transformation and no oxidation in this coating process.
  • the process temperature is at a maximum of about 1100 degrees Celsius. below the melting temperature of the composite material of more than 2600 degrees Celsius.
  • Particles of the bonding layer 4 strike the respective surface (first layer 2 or first diffusion barrier 5) in an inert gas stream.
  • Porous powder particles of the molybdenum-titanium carbide composite material are applied to the respective surface. These powder particles are plastically deformable due to the porosity. Again, the powder particles are made from micrometre-sized or submicron-sized molybdenum and titanium carbide microparticles.
  • molybdenum and titanium carbide microparticles can be prepared by grinding titanium carbide and molybdenum particles in alcohol for about two hours, for example. After the alcohol has evaporated, the mixed powder can be cold isostatically pressed at 2500 bar for one minute. This is followed by a degassing process at 600 degrees Cel sius for twelve hours under high vacuum. This is followed by sintering at 1600 degrees Celsius and 1610 megapascals by hot isostatic pressing.
  • a core of the molybdenum-titanium carbide composite is formed of titanium carbide and surrounded by a (Mo, Ti) C shell. The formation of the (Mo, Ti) C phase takes place by diffusion of molybdenum into the titanium carbide.
  • the porous molybdenum titanium carbide particles are applied to the respective surface at high speed.
  • process gas preferably nitrogen, forming gas, helium or a mixture thereof, heated under high pressure to several 100 degrees Celsius and expanded in a Laval nozzle.
  • a convergent-divergent nozzle shape accelerates the process gas to supersonic speed.
  • the molybdenum titanium carbide particles are metered into the hot process gas stream.
  • the injected particles are heated and accelerated with the exiting gas jet to such a high speed that they firmly adhere to the surface without any initial melting or melting, and a dense layer in the thickness of some 100 microns. If the surface is the first Dif fusion barrier 5, particles of the first diffusion barrier 5 can additionally be connected to one another in this process.
  • molybdenum and titanium carbide microparticles have the purpose of grouping them into heavier units, namely the powder particles, which, due to their greater inertia, are able to penetrate a high pressure front in front of the material surface to reach the surface.
  • the molybdenum and titanium microparticles would be less hazardous to the surface, but would not be able to reach them practically because they would follow the gas in an impingement flow in front of the surface.
  • the forming gas consisting preferably of 95 mol percent nitrogen and 5 mol percent hydrogen, is particularly suitable as a process gas for coating with molybdenum-titanium carbide powder particles, because the hydrogen has a reducing effect on the molybdenum and avoids oxide formation during the deposition process.
  • the second diffusion barrier 6 is advantageously arranged on the connecting layer 4 at closing. In other words, the connection layer 4 is coated with the second diffusion barrier 6.
  • the orders or arranging the second diffusion barrier 6 is analogous to the orders or arranging the first diffusion barrier 5, wes half this is not described again here. This of course also applies if no first diffusion barrier 5 is provided.
  • connection layer 4 or the second diffusion barrier 6 can be coated with the second layer 3 be.
  • atmospheric plasma spraying is suitable.
  • the gas turbine 10 has a component 11, which comprises a carrier body 7 made of a metallic alloy and a heat shield 13.
  • the composite material 1 or the heat shield 13 are designed to protect the carrier body 7 from thermal stress by combustion of fuel in the gas turbine 10. Thanks to the heat shield 13 is an operation of the gas turbine 10 at a Ver combustion temperature of more than 1400 ° C, more than 1600 ° C or even more possible, which allows for a lower combustion temperature higher efficiency. Due to the higher efficiency pollutant emissions of the gas turbine 10 can be reduced. In addition, the operation of the gas turbine 10 is more efficient and less expensive compared to a lower efficiency gas turbine.
  • the use of water-rich fuel or fuel gas is possible because the composite of first layer 2 and second layer 3 protects the component 11 of the gas turbine 10 from corrosion by water, which in operation due to the high flame speed and the flashback of the hydrogen can be injected.
  • a film cooling of combustion chamber elements of the gas turbine 10 can be reduced or completely dispensed with compared with the prior art.
  • Film cooling means that cool, unburned te air is blown through holes in the me tallischen lining of the combustion chamber. This cool air mixes with the hot gas. The temperature drops and combustion produces unwanted by-products such as carbon monoxide and unburned hydrocarbons.
  • On the other hand takes place by the supplied air combustion of the veneered fuel-air mixture. That is, the mixture has become richer because more nitrogen and oxygen are present. As a result, more harmful nitrogen oxides are formed.
  • the gas turbine 10 through the composite material 1 and the heat shield 13 allows the waiver or the reduction of the film cooling and thus a lower pollutant emission. Due to a lower cooling requirement of the gas turbine 10 in general, less passageways for cooling fluid may be needed. This reduces the cost of producing the gas turbine 10 and / or further increases the efficiency of the gas turbine 10.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Werkstoffverbund (1) mit einer ersten Schicht (2), welche zumindest aus einem keramischen ersten Werkstoff gebildet ist; und einer auf der ersten Schicht (2) angeordneten zweiten Schicht (3), welche zumindest aus einem von dem ersten Werkstoff verschiedenen keramischen zweiten Werkstoff gebildet ist. Um eine höhere thermische und/oder mechanische Belastbarkeit zu erzielen, ist vorgesehen, dass eine zwischen der ersten Schicht (2) und der zweiten Schicht (3) angeordnete und zumindest teilweise aus einem Molybdän-Titancarbid-Kompositwerkstoff gebildete Verbindungsschicht (4), über welche die erste Schicht (2) mit der zweiten Schicht (3) verbunden ist.

Description

Beschreibung
Keramischer Werkstoffverbund mit einer Verbindungsschicht aus einem Molybdän-Titancarbid-Kompositwerkstoff, Bauteil, Gas turbine, sowie Verfahren
Ein erster Aspekt betrifft einen Werkstoffverbund mit einer ersten Schicht aus einem ersten keramischen Werkstoff und ei ner zweiten Schicht aus einem zweiten keramischen Werkstoff. Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft ein Bauteil mit ei nem solchen Werkstoffverbund . Ein dritter Aspekt der Erfin dung betrifft eine Gasturbine mit einem solchen Bauteil. Ein vierter Aspekt der Erfindung betrifft schließlich ein Verfah ren zum Herstellen eines solchen Werkstoffverbunds .
In Hochtemperaturanwendungen, beispielsweise in einer Gastur bine, werden häufig Bauteile bestehend aus einer Metalllegie rung eingesetzt, welche durch einen keramischen Werkstoff vor einer thermischen Überlastung geschützt werden. Beispielswei se kann ein Bauteil für eine Hochtemperaturanwendung einen metallischen Trägerkörper aufweisen, der mit einem kerami schen Werkstoff überzogen ist. Durch eine solche Wärmedämm schicht, welche durch den keramischen Werkstoff gebildet ist, kann eine thermische Belastbarkeit des Bauteils gesteigert werden. Dies ist beispielsweise vorteilhaft in Gasturbinen, wo durch ein Erhöhen der thermischen Belastbarkeit von Bau teilen eine höhere Verbrennungstemperatur ermöglicht wird. Durch Erhöhen der Verbrennungstemperatur erhöht sich der thermodynamische Wirkungsgrad der Gasturbine, was in einem verringerten Brennstoffverbrauch und Schadstoffausstoß resul tieren kann.
Im besonderen Maße kann die thermische Belastbarkeit erhöht werden, wenn die Wärmedämmschicht aus einem Werkstoffverbund zweier unterschiedlicher keramischen Werkstoffe gebildet ist. Dieser Werkstoffverbund kann eine erste Schicht aus einem ke ramischen ersten Werkstoff und eine zweite Schicht aus einem keramischen zweiten Werkstoff aufweisen. Problematisch ist, dass der erste Werkstoff und der zweite Werkstoff unter schiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten oder andere abweichende mechanische Eigenschaften haben können. Daraus können bei mechanischer oder thermischer Belastung Sprühbrü che des Werkstoffverbunds resultieren. Dies gilt insbesondere daher, da keramische Werkstoffe üblicherweise äußerst spröde sind .
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine mechanische und/oder thermische Belastbarkeit eines eingangs genannten Werkstoffverbunds zu erhöhen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Gegen stände der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Ausfüh rungsformen mit zweckmäßigen Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die Erfindung geht aus von einem Werkstoffverbund mit einer ersten Schicht, welche zumindest aus einem keramischen ersten Werkstoff gebildet ist und einer auf der ersten Schicht ange ordneten zweiten Schicht, welche zumindest aus einem von dem ersten Werkstoff verschiedenen zweiten keramischen Werkstoff gebildet ist. Die erste Schicht und die zweite Schicht können jeweils flächig ausgedehnt sein. Das bedeutet, dass die Dicke der ersten Schicht und/oder der zweiten Schicht verglichen mit der Ausdehnung entlang zweier Raumrichtungen senkrecht zur Dicke gering ist. Gering bedeutet in diesem Kontext ins besondere, dass ein Faktor von mindestens 10, mindestens 100 oder mindestens 1000 zwischen der Dicke der ersten Schicht beziehungsweise der zweiten Schicht und jeder der Raumrich tungen senkrecht zur Dicke liegt.
Um nun eine höhere thermische und/oder mechanische Belastbar keit zu erzielen, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass eine zwischen der ersten Schicht und der zweiten Schicht angeord nete und zumindest teilweise aus einem Molybdän-Titancarbid- Kompositwerkstoff gebildete Verbindungsschicht, über welche die erste Schicht mit der zweiten Schicht verbunden ist, vor- gesehen ist. Mit anderen Worten ist die erste Schicht über eine Verbindungsschicht mit der zweiten Schicht verbunden, wobei die Verbindungsschicht zumindest teilweise aus einem Molybdän-Titancarbid-Kompositwerkstoff gebildet ist. In man chen Ausführungsformen ist die Verbindungsschicht ausschließ lich aus dem Molybdän-Titancarbid-Kompositwerkstoff gebildet. In anderen Ausführungsformen ist die Verbindungsschicht aus einem Werkstoffgemisch gebildet, welches den Molybdän- Titancarbid-Kompositwerkstoff und zumindest einen weiteren Werkstoff umfasst. Der Molybdän-Titancarbid-Kompositwerkstoff zeichnet sich durch eine plastische Dehnbarkeit von bis zu 10 Prozent bei Raumtemperatur, eine unbegrenzte kompressive Duktilität bis über 1200 Grad Celsius sowie eine hohe thermi sche Belastbarkeit aus. Somit handelt es sich bei dem Molyb- dän-Titancarbid-Kompositwerkstoff gewissermaßen um eine „elastische Keramik". Somit ist erfindungsgemäß zwischen der ersten Schicht und der zweiten Schicht eine elastische und dennoch thermisch belastbare Verbindungsschicht angeordnet. Durch ihre Elastizität beziehungsweise Duktilität ermöglicht die Verbindungsschicht die Aufnahme von Spannungen zwischen der ersten Schicht und der zweiten Schicht, welche beispiels weise aus dem unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoef fizienten resultieren können. Auf diese Weise kann durch die erfindungsgemäße Verbindungsschicht die thermische und/oder mechanische Belastbarkeit des Werkstoffverbunds gegenüber dem Stand der Technik verbessert werden.
Insbesondere ist vorgesehen, dass die Verbindungsschicht so wohl die erste Schicht als auch die zweite Schicht direkt be rührt. Mit anderen Worten ist die Verbindungsschicht zwischen der ersten Schicht und der zweiten Schicht angeordnet und in direktem mechanischen Kontakt sowohl mit der ersten Schicht als auch mit der zweiten Schicht. Insbesondere sind zwischen der ersten Schicht und der Verbindungsschicht und/oder zwi schen der Verbindungsschicht und der zweiten Schicht jeweils kleine Lufteinschlüsse. Aus diesem Aufbau resultiert eine be sondere Kompaktheit des Werkstoffverbunds . Gemäß einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Verbin dungsschicht sowohl mit der ersten Schicht als auch mit der zweiten Schicht über wenigstens eine jeweilige Stoffschlüssi ge Verbindung verbunden ist. Mit anderen Worten ist die erste Schicht durch atomare oder molekulare Kräfte mit der Verbin dungsschicht fest verbunden. Außerdem ist die Verbindungs schicht mit der zweiten Schicht über atomare oder molekulare Kräfte fest verbunden. Die jeweilige Stoffschlüssige Verbin dung ist dabei nicht notwendigerweise direkt. Das bedeutet, die Verbindungsschicht kann über eine Zwischenschicht hinweg mittels zweier Stoffschlüssiger Verbindungen mit der ersten Schicht und/oder der zweiten Schicht verbunden sein. Folglich sind auch die erste Schicht und die zweite Schicht indirekt, nämlich zumindest über Verbindungschicht, Stoffschlüssig mit einander verbunden. Daraus ergibt sich ein besonders stabiler Aufbau für den Werkstoffverbund . Außerdem kann hierdurch me chanische Belastbarkeit weiter erhöht sein.
Gemäß einiger Ausführungsformen ist die Verbindungsschicht mit der ersten Schicht und/oder mit der zweiten Schicht di rekt stoffschlüssig verbunden. Mit anderen Worten ist die Verbindungsschicht mit der ersten Schicht und/oder der zwei ten Schicht in direktem mechanischem Kontakt, wobei an einer jeweiligen Kontaktfläche ein Stoffschluss ausgebildet ist.
Mit nochmals anderen Worten berührt die Verbindungsschicht die erste Schicht und/oder die zweite Schicht direkt, wobei an einer jeweiligen Berührfläche ein Stoffschluss ausgebildet ist. Hierdurch kann die mechanische Belastbarkeit weiter er höht werden.
Gemäß einer Weiterbildung ist zwischen der ersten Schicht und der Verbindungsschicht eine erste Diffusionssperre und/oder zwischen der zweiten Schicht und der Verbindungsschicht eine zweite Diffusionssperre angeordnet. Mit anderen Worten kann der Werkstoffverbund zwischen der ersten Schicht und der Ver bindungsschicht die erste Diffusionssperre aufweisen. Alter nativ oder zusätzlich kann der Werkstoffverbund zwischen der zweiten Schicht und der Verbindungsschicht die zweite Diffu- sionssperre aufweisen. Die jeweilige Diffusionssperre kann eine der oben genannten Zwischenschichten ausbilden. Mit an deren Worten kann die erste Schicht über die erste Diffusi onssperre mittels zweier StoffSchlüsse indirekt stoffschlüs sig verbunden sein. Alternativ oder zusätzlich kann die zwei te Schicht über die zweite Diffusionssperre über zwei Stoff schlüsse indirekt mit der Verbindungsschicht Stoffschlüssig verbunden sein. Durch die erste Diffusionssperre und/oder die zweite Diffusionssperre kann die Verbindungsschicht vor che mischen Reaktionen, insbesondere Oxidation, geschützt sein. Mit anderen Worten kann die erste Diffusionssperre und/oder die zweite Diffusionssperre zu diesem Zweck dazu ausgebildet sein, das Einbringen von Reagenzien, insbesondere Sauerstoff, in die Verbindungsschicht zu unterbinden.
Hierzu kann die erste Diffusionssperre und/oder die zweite Diffusionssperre zumindest aus Aluminiumoxid gebildet sein. Mit anderen Worten kann die erste Diffusionssperre und/oder die zweite Diffusionssperre aus einem Materialmix für die Diffusionssperre gebildet sein, welcher Aluminiumoxid und ei nen weiteren Werkstoff umfasst. Alternativ kann die erste Diffusionssperre und/oder die zweite Diffusionssperre aus schließlich aus Aluminiumoxid gebildet sein. Durch eine Dif fusionssperre aus Aluminiumoxid ist ein besonders kostengüns tiger und effektiver Oxidationsschutz bereitgestellt.
Gemäß einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass die erste Dif fusionssperre mittels Atomlagenabscheidung auf die erste Schicht aufgebracht ist und/oder die zweite Diffusionssperre mittels Atomlagenabscheidung auf die Verbindungsschicht auf gebracht ist. Mit anderen Worten kann die erste Schicht mit tels Atomlagenscheidung mit der ersten Diffusionssperre be schichtet sein. Alternativ oder zusätzlich kann die Verbin dungsschicht mittels Atomlagenabscheidung mit der zweiten Diffusionssperre beschichtet sein. Durch das Prinzip der Atomlagenabscheidung kann die jeweilige Diffusionssperre eine besonders homogene und verunreinigungsfreie Struktur haben, eine besonders definierte Dicke aufweisen, besonders dünn sein und/oder eine besonders defektfreie Kristallstruktur aufweisen. Hierdurch können mechanische oder chemische Eigen schaften der jeweiligen Diffusionssperre verbessert werden und/oder die Diffusion der Reagenzien, insbesondere von Sau erstoff, besonders gut unterbunden werden.
Gemäß einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass der erste Werkstoff ein keramischer Faserverbundwerkstoff ist, der ins besondere zumindest aus keramischen Fasern einer keramischen Matrix gebildet ist, in welche die Fasern eingebettet sind. Der erste Werkstoff kann somit ein keramischer Faserverbund werkstoff sein, der auch mit dem englischen Fachbegriff „Ceramic Matrix Composite", kurz „CMC", bezeichnet wird. Bei spielsweise weist der Faserverbundwerkstoff einen inneren Aufbau, der aus den keramischen Fasern und der keramischen Matrix besteht, auf. Dabei können die Fasern in die Matrix eingebettet sein. Mit anderen Worten können die Fasern mit der Matrix umgeben sein. Bei den Fasern kann es sich bei spielsweise um Mullit-Fasern handeln. Mullit ist ein Gemisch aus Aluminiumoxid und Siliziumoxid. Die Matrix kann zumindest aus Aluminiumoxid, Siliziumoxid oder einer Mischung aus Alu miniumoxid und Siliziumoxid gebildet sein. Derartige Faser verbundwerkstoffe zeichnen sich durch eine hohe mechanische und thermische Belastbarkeit aus.
Eine Weiterbildung sieht vor, dass der zweite Werkstoff eine höhere Hitzebeständigkeit und/oder Korrosionsbeständigkeit als der erste Werkstoff aufweist. Demnach kann die zweite Schicht eine höhere Hitzebeständigkeit und/oder Korrosionsbe ständigkeit als die erste Schicht aufweisen. Somit kann die zweite Schicht als Hitzeschild oder Korrosionsschutz für die erste Schicht ausgebildet sein. Dadurch, dass die zweite Schicht beziehungsweise der zweite Werkstoff die höhere Hit zebeständigkeit und/oder Korrosionsbeständigkeit aufweist, kann eine Widerstandsfähigkeit des Werkstoffverbunds gegen thermische Belastungen und/oder gegen Korrosion insgesamt weiter verbessert werden. Gemäß einer Weiterbildung ist der zweite Werkstoff durch yttriumstabilisiertes Zirkonoxid gebildet.
Yttriumstabilisiertes Zirkonoxid weist eine besonders hohe thermische Belastbarkeit auf. Dadurch, dass die zweite
Schicht zumindest aus yttriumstabilisiertem Zirkonoxid gebil det ist, kann einer zusätzlich erhöhten thermischen Belast barkeit des Werkstoffverbunds resultieren.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft ein Bauteil, wel ches zumindest aus dem zuvor und nachfolgend beschriebenen Werkstoffverbund gebildet ist. Mit anderen Worten ist das Bauteil zumindest teilweise aus dem genannten Werkstoffver bund gefertigt. Auf diese Weise kann ein Bauteil für Hochtem peraturanwendungen bereitgestellt werden, welches eine ver besserte thermische und/oder mechanische Belastbarkeit auf weist.
Gemäß einer Weiterbildung weist das Bauteil wenigstens einen Trägerkörper auf, welcher zumindest teilweise mit dem Werk stoffverbund als Hitzeschild versehen ist. Mit anderen Worten kann der Trägerkörper ein Grundgerüst des Bauteils bilden. Dieses Grundgerüst beziehungsweise der Trägerkörper kann zu mindest teilweise mit dem Werkstoffverbund als Hitzeschild versehen beziehungsweise überzogen sein. Der Werkstoffverbund beziehungsweise das Hitzeschild ist dazu ausgebildet, den Trägerkörper vor thermischer Belastung zu schützen. Hierzu kann der Werkstoffverbund beziehungsweise das Hitzeschild als thermischer Isolator an dem Trägerkörper angeordnet sein. Durch Kombination des wenigstens einen Trägerkörpers mit dem Werkstoffverbund als Hitzeschild kann das Bauteil einerseits besonders leicht und/oder stabil und andererseits thermisch besonders belastbar ausgebildet sein.
Eine Weiterbildung sieht vor, dass der Trägerkörper aus einem von dem ersten und dem zweiten Werkstoff unterschiedlichen dritten Werkstoff, insbesondere aus einem metallischen Werk stoff, gebildet ist. Vorzugsweise handelt es sich bei dem me tallischen Werkstoff um eine metallische Legierung, nochmals bevorzugt um eine sogenannte Superlegierung. Metallische Werkstoffe, insbesondere metallische Legierungen, zeichnen sich durch hohe Stabilität bei geringem Gewicht aus. Durch Kombination des metallischen Trägerkörpers mit dem Werkstoff verbund kann ein noch leichteres und/oder stabileres und den noch besonders thermisch belastbares Bauteil geschaffen wer den. Das dritte Material kann insbesondere eine Nickel- oder Kobalt-Superlegierung sein.
Ein solches Bauteil eignet sich insbesondere zur Anwendung einer Gasturbine. Ein dritter Aspekt betrifft daher eine Gas turbine mit einem im vorherigen und im Folgenden beschriebe nen Bauteil. Insbesondere ist das Bauteil ein thermisch be sonders belastetes Bauteil der Gasturbine. Durch die hohe thermische Belastbarkeit kann eine Verbrennungstemperatur der erfindungsgemäßen Gasturbine gegenüber dem Stand der Technik erhöht werden. Diese erhöhte Verbrennungstemperatur resul tiert in einem erhöhten thermodynamischen Wirkungsgrad. Aus dem erhöhten Wirkungsgrad kann ein geringerer Brennstoffver brauch und somit ein geringerer Schadstoffausstoß resultie ren .
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Werkstoffverbunds , bei welchem eine erste Schicht zumindest aus einem keramischen ersten Werkstoff und eine zweite Schicht auf der ersten Schicht angeordnet und zu mindest aus einem von dem ersten Werkstoff verschiedenen ke ramischen zweiten Werkstoff gefertigt wird. Bei dem Verfahren wird die zweite Schicht somit auf der ersten Schicht angeord net .
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass zwischen der ersten Schicht und der zweiten Schicht eine zumindest teilweise aus einem Molybdän-Titancarbid-Kompositwerkstoff gebildete Ver bindungsschicht angeordnet wird, über welche die erste
Schicht mit der zweiten Schicht verbunden wird. Mit anderen Worten werden die erste Schicht und die zweite Schicht über die Verbindungsschicht miteinander verbunden. In weiterer Ausgestaltung kann die Verbindungsschicht gebil det werden, indem der Molybdän-Titancarbid-Kompositwerkstoff auf die erste Schicht aufgetragen beziehungsweise aufgebracht wird. Die erste Schicht kann mit der Verbindungsschicht be schichtet werden. Vorzugsweise wird der Molybdän-Titancarbid- Kompositwerkstoff mittels Kaltgasspritzen auf die erste
Schicht aufgebracht beziehungsweise aufgetragen. Bei diesem Prinzip erfährt der Molybdän-Titancarbid-Kompositwerkstoff keine Phasenumwandlung und keine Oxidation. Die Prozesstempe ratur von etwa 1100 Grad Celsius liegt weit unterhalb der Schmelztemperatur des Molybdän-Titancarbid-Kompositwerkstoffs von über 2600 Grad Celsius. Beim Kaltgasspritzen treffen die Partikel in einem Inertgasstrom auf das jeweilige Substrat, vorliegend die erste Schicht. Somit bleibt die Reinheit des Molybdän-Titancarbid-Kompositwerkstoffs erhalten. Vorteil hafterweise wird der Molybdän-Titancarbid-Kompositwerkstoff in Form poröser Pulverteilchen auf das Substrat, vorliegend die erste Schicht, aufgebracht beziehungsweise aufgetragen. Die porösen Pulverteilchen können aus Molybdän-Mikropartikeln und Titancarbid-Mikropartikeln vorgeformt werden, welche eine Größe von wenigen Mikrometern oder weniger als einem Mikrome ter aufweisen. Durch die Porosität der Pulverteilchen kolla bieren diese beim Aufprall auf das Substrat, vorliegend die erste Schicht, wodurch das Substrat nicht beschädigt wird.
Beispielsweise ist vorgesehen, dass die Mikropartikel des Mo- lybdän-Titancarbid-Kompositwerkstoffs eine Porosität von zu mindest 5 Prozent, zumindest 10 Prozent, zumindest
20 Prozent, zumindest 40 Prozent oder zumindest 60 Prozent nach Volumen aufweisen.
Gemäß einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass zwischen der ersten Schicht und der Verbindungsschicht eine erste Diffusi onssperre und/oder zwischen der zweiten Schicht und der Ver bindungsschicht eine zweite Diffusionssperre angeordnet wird. Beispielsweise wird die erste Diffusionssperre auf die erste Schicht aufgetragen beziehungsweise aufgebracht. Mit anderen Worten kann die erste Schicht mit der ersten Diffusionssperre beschichtet werden. In diesem Fall wird die Verbindungs schicht nicht auf die erste Schicht aufgetragen beziehungs weise aufgebracht, sondern auf die Diffusionssperre. Das Sub strat für das Kaltgasspritzen der Verbindungsschicht ist in diesem Fall somit die erste Diffusionssperre und nicht die erste Schicht.
Optionalerweise kann an der Verbindungsschicht die zweite Diffusionssperre angeordnet werden. Insbesondere wird die Verbindungsschicht mit der zweiten Diffusionssperre beschich tet. Die zweite Diffusionssperre kann auf die Verbindungs schicht aufgebracht beziehungsweise aufgetragen werden.
Gemäß einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass die erste Dif fusionssperre mittels Atomlagenabscheidung auf die erste Schicht aufgebracht wird und/oder die zweite Diffusionssperre mittels Atomlagenabscheidung auf die Verbindungsschicht auf gebracht wird. Mit anderen Worten erfolgt das Beschichten der ersten Schicht mit der ersten Diffusionssperre mittels Atom lagenabscheidung und/oder das Beschichten der Verbindungs schicht mit der zweiten Diffusionssperre mittels Atomlagenab scheidung. Durch das Prinzip der Atomlagenabscheidung können für die jeweilige Diffusionssperre eine besonders homogene und verunreinigungsfreie Struktur, eine besonders definierte Schichtdicke, eine besonders geringe beziehungsweise dünne Schichtdicke und/oder eine besonders defektfreie Kristall struktur erzielt werden. Hierdurch können mechanische oder chemische Eigenschaften der jeweiligen Diffusionssperre ver bessert werden und/oder die Diffusion der Reagenzien, insbe sondere von Sauerstoff, besonders gut unterbunden werden.
Es zeigen:
FIG 1 ausschnittsweise einen schematischen Querschnitt durch einen Werkstoffverbund; und
FIG 2 äußerst schematisch eine Gasturbine. Die FIG 1 zeigt einen Werkstoffverbund 1 in einer äußerst schematischen Schnittansicht. Der Werkstoffverbund 1 ist vor liegend an einem Trägerkörper 7 angeordnet. Der Werkstoffver bund 1 weist eine erste Schicht 2 und eine zweite Schicht 3 auf, wobei die zweite Schicht 3 über der ersten Schicht 2 an geordnet ist. Die erste Schicht 2 ist zumindest aus einem ke ramischen ersten Werkstoff gebildet. Vorliegend ist die erste Schicht ausschließlich aus dem keramischen ersten Werkstoff gebildet. Die zweite Schicht 3 ist zumindest aus einem von dem ersten Werkstoff verschiedenen keramischen zweiten Werk stoff gebildet. Mit anderen Worten ist der zweite Werkstoff ein keramischer Werkstoff, der von dem ersten Werkstoff ver schieden ist. Bei dem ersten Werkstoff und dem zweiten Werk stoff handelt es sich somit um unterschiedliche Keramiken. Vorliegend ist die zweite Schicht 3 ausschließlich aus dem zweiten Werkstoff gebildet.
Vorliegend ist der erste Werkstoff ein keramischer Faserver bundwerkstoff. Der keramische Faserverbundwerkstoff umfasst keramische Fasern 20 und eine keramische Matrix 21, in welche die Fasern 20 eingebettet sind. Mit anderen Worten umfasst der Faserverbundwerkstoff die Matrix 21 und die Fasern 20, wobei die Fasern 20 durch die Matrix 21 umhüllt sind. Vor zugsweise handelt es sich bei den Fasern 20 um Mullit-Fasern . Bei den Mullit-Fasern kann es sich um gesponnene Fasern han deln, welche aus Aluminiumoxid (AL2O3) und Siliziumoxid (SiCg) bestehen. Die Matrix 21 kann aus Aluminiumoxid und/oder
Siliziumoxid gebildet sein. Vorliegend ist die Matrix 21 aus Aluminiumoxid gebildet, da diese Ausführung günstiger in der Herstellung ist.
Bei dem zweiten Werkstoff handelt es sich vorliegend um yttriumstabilisiertes Zirkonoxid. Mit anderen Worten ist die zweite Schicht 3 zumindest aus dem yttriumstabilisierten Zirkonoxid gebildet. Vorliegend ist die zweite Schicht 3 aus schließlich aus dem yttriumstabilisierten Zirkonoxid gebil det. Im Allgemeinen ist es vorteilhaft, wenn der zweite Werk- Stoff eine höhere Hitzebeständigkeit und/oder Korrosionsbe ständigkeit als der erste Werkstoff aufweist. Dies trifft auf yttriumstabilisiertes Zirkonoxid im besonderen Maße zu. Somit kann durch Anordnen der zweiten Schicht 3 über der ersten Schicht 2 die thermische Belastbarkeit des Werkstoffverbunds 1, insbesondere gegenüber einer alleinigen Anwendung der ers ten Schicht 2, gesteigert werden.
Sowohl die erste Schicht 2 als auch die zweite Schicht 3 sind vorliegend spröde, das heißt sie weisen eine geringe Duktili tät beziehungsweise Elastizität auf. Im Falle mechanischer oder thermischer Belastung kann dies zu Spannungen zwischen der ersten Schicht 2 und der zweiten Schicht 3 führen, wenn diese direkt aufeinander angeordnet sind, sich also berühren. Spannungen aufgrund thermischer Belastung können insbesondere dann auftreten, wenn die erste Schicht 2 und die zweite
Schicht 3 einen unterschiedlichen thermischen Ausdehnungsko effizienten aufweisen. Aus diesem Grund ist vorliegend zwi schen der ersten Schicht 2 und der zweiten Schicht 3 eine Verbindungsschicht 4 angeordnet. Die Verbindungsschicht 4 weist dabei vorteilhafterweise elastische Eigenschaften auf. Auf diese Weise können Spannungen zwischen der ersten Schicht 2 und der zweiten Schicht 3 durch elastische oder duktile Verformung der Verbindungsschicht 4 aufgefangen werden. Da raus kann eine verbesserte thermische und/oder mechanische Belastbarkeit für den Werkstoffverbund folgen. Benötigt hier für ist jedoch, dass die Verbindungsschicht 4 eine für diesen Zweck ausreichende thermische Belastbarkeit aufweist und ins besondere ihre Elastizität beziehungsweise Duktilität auch unter hoher thermischer Belastung beibehält. Für Hochtempera turanwendungen kann es notwendig sein, dass die Verbindungs schicht ihren elastischen beziehungsweise duktilen Charakter bei Temperaturen von über 1000 Grad, über 1200 Grad oder über 1400 Grad Celsius beibehält. Vorliegend wurde zudem erkannt, dass Molybdän-Titancarbid-Komposite diese Aufgabe erfüllen können. Vorliegend ist die Verbindungsschicht 4 daher zumin dest aus einem Molybdän-Titanarbit-Kompositwerkstoff gebil det. Vorliegend ist die Verbindungsschicht 4 ausschließlich aus dem Molybdän-Titanarbit-Kompositwerkstoff gefertigt. Vor teilhafterweise ist die Verbindungsschicht 4 sowohl mit der ersten Schicht 2 als auch mit der zweiten Schicht 3 zumindest indirekt Stoffschlüssig verbunden. Beispielsweise kann die Verbindungsschicht 4 die erste Schicht 2 berühren und mit dieser direkt Stoffschlüssig verbunden sein. Alternativ oder zusätzlich kann die Verbindungsschicht 4 die zweite Schicht 3 berühren und mit dieser Stoffschlüssig verbunden sein.
Vorliegend ist zwischen der ersten Schicht 2 und der Verbin dungsschicht 4 eine erste Diffusionssperre 5 angeordnet. Die erste Diffusionssperre 5 ist mit der Verbindungsschicht 4 und der ersten Schicht 2 jeweils direkt Stoffschlüssig verbunden. Mit anderen Worten berührt die erste Diffusionssperre 5 so wohl die Verbindungsschicht 4 als auch die erste Schicht 2 und weist an der jeweiligen Berührungsfläche einen jeweiligen Stoffschluss auf. Daraus resultiert, dass die Verbindungs schicht 4 indirekt, das bedeutet über die erste Diffusions sperre 5, mit der ersten Schicht 2 Stoffschlüssig verbunden ist. Zwischen der Verbindungsschicht 4 und der zweiten
Schicht 3 ist vorliegend eine zweite Diffusionssperre 6 ange ordnet. Die zweite Diffusionssperre 6 ist mit der Verbin dungsschicht 4 und der zweiten Schicht 3 Stoffschlüssig ver bunden. Die zweite Diffusionssperre 6 berührt sowohl die Ver bindungsschicht 4 als auch die zweite Schicht 3 und weist an der jeweiligen Berührfläche einen jeweiligen Stoffschluss auf. Somit ist die Verbindungsschicht 4 vorliegend indirekt, das heißt über die zweite Diffusionssperre 6, Stoffschlüssig mit der zweiten Schicht 3 verbunden.
Die optionale erste Diffusionssperre 5 und/oder die optionale zweite Diffusionssperre 6 sind jeweils dafür ausgebildet, das Eindringen beziehungsweise Diffundieren schädlicher Reagenzi en in die Verbindungsschicht 4 zu unterbinden. Insbesondere sind die Diffusionssperren 5 und 6 dazu ausgebildet, das Ein dringen beziehungsweise Diffundieren von Sauerstoff in die Verbindungsschicht 4 zu unterbinden. Auf diese Weise können die Diffusionssperren 5, 6 unerwünschte chemische Reaktionen, insbesondere Oxidation, an der Verbindungsschicht 4 unterbin den. Dies ist insbesondere dann wichtig, wenn die Verbin dungsschicht 4 yttriumstabilisiertes Zirkonoxid umfasst, da dieses unter Sauerstoffeinfluss oxidiert und seine elasti schen beziehungsweise duktilen Eigenschaften verlieren kann. Die erste Diffusionssperre 5 und/oder die zweite Diffusions sperre 6 können jeweils aus Aluminiumoxid gefertigt sein.
Auf die erste Diffusionssperre 5 kann insbesondere dann ver zichtet werden, wenn ein Eindringen der unerwünschten Reagen zien, insbesondere Sauerstoff, bereits durch die erste
Schicht 2 in hinreichendem Maße verhindert ist. Analog kann auf die zweite Diffusionssperre 6 insbesondere dann verzich tet werden, wenn das Eindringen der unerwünschten Reagenzien, insbesondere Sauerstoff, durch die zweite Schicht 3 bereits in hinreichendem Maße verhindert wird.
Vorliegend ist der Werkstoffverbund 1 beziehungsweise die erste Schicht 2 auf dem Trägerkörper 7 angeordnet. Der Trä gerkörper 7 ist vorzugsweise zumindest aus einem von dem ers ten Werkstoff und dem zweiten Werkstoff unterschiedlichen dritten Werkstoff gebildet. Vorliegend ist der dritte Werk stoff ein Metall beziehungsweise eine metallische Legierung. Der Trägerkörper 7 und der Werkstoffverbund 1 können Teil ei nes Bauteils 11 sein. Das Bauteil 11 kann durch die vorlie gende Anordnung eine gegenüber anderen Bauteilen besonders hohe thermische Belastbarkeit aufweisen. Insbesondere bildet der Werkstoffverbund 1 eine Wärmedämmschicht auf dem Träger körper 7 aus. Der Werkstoffverbund 1 bildet ein Hitzeschild 13 für den Trägerkörper 7 aus. Dabei bilden innerhalb des Werkstoffverbunds 1 die erste Schicht 2 und die zweite
Schicht 3 jeweilige Teildämmschichten aus. Aus diesem Grund weist die zweite Schicht 3 eine höhere thermische Belastbar keit als die erste Schicht 2 auf. Die erste Schicht 2 kann wiederum eine höhere thermische Belastbarkeit als der Träger körper 7 aufweisen. Beispielsweise kann die zweite Schicht 3 eine Dicke von etwa 300 Mikrometern aufweisen. Die zweite Schicht 3 kann mit dem englischen Fachbegriff „Thermal Barrier Coating", kurz „TBC", zu Deutsch etwa „Wärmedämmungsbeschichtung", bezeichnet wer den. Derartige Wärmedämmungsbeschichtungen sind dem Fachmann bekannt. Die zweite Diffusionssperre 6 und die erste Diffusi onssperre 5 können jeweils eine Dicke von etwa 100 Nanometern aufweisen. Die Verbindungsschicht kann vorteilhafterweise ei ne Dicke von etwa 300 bis 500 Mikrometer aufweisen. Die erste Schicht 2 kann eine Dicke von etwa 3 bis 5 Millimeter aufwei sen .
Bei der Herstellung des Werkstoffverbunds 1 kann zunächst die erste Diffusionssperre 5 auf der ersten Schicht 2 angeordnet werden beziehungsweise auf die erste Schicht 2 aufgebracht werden. Mit anderen Worten kann zunächst die erste Schicht 2 mit der ersten Diffusionssperre 5 beschichtet werden. Vor zugsweise erfolgt das Beschichten beziehungsweise das Anord nen der ersten Diffusionssperre 5 mittels Atomlagenabschei dung. Die Atomlagenabscheidung ermöglicht eine besonders dün ne Schichtdicke, eine besonders hohe definierte Schichtdicke sowie eine besonders defektfreie und gleichmäßige Verteilung der ersten Diffusionssperre 5 auf der ersten Schicht 2.
Anschließend wird der Molybdän-Titancarbid-Kompositwerkstoff auf der ersten Diffusionssperre 5 angeordnet. Ist bei einer Ausführungsform des Werkstoffverbunds 1 keine erste Diffusi onssperre 5 vorgesehen, so wird die Verbindungsschicht 4 auf die erste Schicht 2 aufgebracht beziehungsweise an der ersten Schicht 2 angeordnet. Mit anderen Worten wird entweder die erste Schicht 2 oder die erste Diffusionssperre 5 mit der Verbindungsschicht 4 beschichtet. Das Anordnen der Verbin dungsschicht 4 beziehungsweise das Beschichten mit der Ver bindungsschicht 4 erfolgt vorteilhafterweise durch Kaltgas spritzen. Dieses Verfahren ist besonders vorteilhaft, da der Kompositwerkstoff bei diesem Beschichtungsverfahren keine Phasenumwandlung und keine Oxidation erfährt. Die Prozesstem peratur liegt mit höchstens etwa 1100 Grad Celsius weit un- terhalb der Schmelztemperatur des Kompositwerkstoffs von mehr als 2600 Grad Celsius. Partikel der Verbindungsschicht 4 treffen in einem Inertgasstrom auf die jeweilige Oberfläche (erste Schicht 2 oder erste Diffusionssperre 5) . Es werden poröse Pulverteilchen des Molybdän-Titancarbid- Kompositwerkstoffs auf die jeweilige Oberfläche aufgebracht. Diese Pulverteilchen sind aufgrund der Porosität plastisch verformbar. Hergestellt werden die Pulverteilchen wiederum aus mikrometergroßen oder submikrometergroßen Molybdän- und Titancarbid-Mikropartikeln .
Diese Molybdän- und Titancarbid-Mikropartikel können bei spielsweise durch Mahlen von Titancarbid- und Molybdän- Partikeln in Alkohol von etwa zwei Stunden hergestellt wer den. Nach dem Verdampfen des Alkohols kann das gemischte Pul ver kalt isostatisch bei 2500 bar eine Minute gepresst wer den. Anschließend erfolgt ein Ausgasprozess bei 600 Grad Cel sius für zwölf Stunden unter Hochvakuum. Danach folgt ein Sintervorgang bei 1600 Grad Celsius und 1610 Megapascal durch heißes isostatisches Pressen. Ein Kern des Molybdän- Titancarbid-Kompositwerkstoffs wird aus Titancarbid gebildet und von einer (Mo, Ti)C-Hülle umgeben. Die Bildung der (Mo, Ti)C-Phase erfolgt durch Diffusion von Molybdän in das Titan carbid.
Die porösen Molybdän-Titancarbid-Partikel werden mit hoher Geschwindigkeit auf die jeweilige Oberfläche aufgebracht. Da zu wird Prozessgas, bevorzugt Stickstoff, Formiergas, Helium oder eine Mischung daraus, unter hohem Druck auf mehrere 100 Grad Celsius erwärmt und in einer Lavaldüse entspannt. Durch eine konvergent-divergente Düsenform wird das Prozess gas auf Überschallgeschwindigkeit beschleunigt. Vor dem Dü seneingang werden die Molybdän-Titancarbid-Partikel in den heißen Prozessgasstrom eindosiert. Die injizierten Partikel werden erwärmt und mit dem austretenden Gasstrahl auf eine so hohe Geschwindigkeit beschleunigt, dass sie ohne vorheriges An- oder Aufschmelzen bei einem Aufprall auf die Oberfläche fest anhaften und eine dichte Schicht in der Dicke von eini- gen 100 Mikrometern bilden. Ist die Oberfläche die erste Dif fusionssperre 5, so können sich Partikel der ersten Diffusi onssperre 5 bei diesem Vorgang zusätzlich miteinander verbin den .
Von zentraler Bedeutung bei diesem Kaltgasspritzen ist die poröse Struktur der Molybdän-Titancarbid-Pulverteilchen, die beim Aufprall auf der Oberfläche kollabieren. Im Inneren der Partikel kommt es bei deren Kollaps zu schnellem Gleiten der Mikropartikel, aus denen die einzelnen Pulverteilchen aufge baut sind. Die metallischen Bestandteile (Molybdän, Mo) ver schweißen dabei kalt und betten eine Sprödphase aus Titancar- bid, TiC in einen neu geformten Festkörper (die Verbindungs schicht 4) ein. Die Anbindung an die Oberfläche, insbesondere die erste Diffusionssperre 5, erfolgt durch Gleiten von Kris tallebenen zur Aufnahme der eingetragenen kinetischen Ener gie. Wären die Pulverteilchen nicht porös sondern massiv, würden sie als kaum verformbare Wurfgeschosse die Oberfläche zerstören. Dank ihres porösen inneren Aufbaus fungieren die Pulverteilchen aber als Deformationszone. Die Zusammenfassung der Molybdän- und Titancarbid-Mikropartikel hat den Zweck, sie zu schwereren Einheiten, nämlich den Pulverteilchen, zu sammenzufassen, welche dank ihrer größeren Trägheit in der Lage sind, eine Hochdruckfront vor der WerkstoffOberfläche zu durchdringen, um die Oberfläche zu erreichen. Einzeln wären die Molybdän- und Titan-Mikropartikel weniger gefährlich für die Oberfläche, würden diese praktisch aber nicht erreichen können, weil sie in einer Prallströmung vor der Oberfläche dem Gas folgen würden.
Das Formiergas, bestehend vorzugsweise aus 95 mol-Prozent Stickstoff und 5 mol-Prozent Wasserstoff, eignet sich als Prozessgas zur Beschichtung mit Molybdän-Titancarbid- Pulverteilchen besonders gut, weil der Wasserstoff auf das Molybdän reduzierend wirkt und eine Oxidbildung während des Abscheidungsprozesses vermeidet. Zum Schutz des Molybdäns in der Verbindungsschicht 4 wird an schließend vorteilhafterweise die zweite Diffusionssperre 6 auf der Verbindungsschicht 4 angeordnet. Mit anderen Worten wird die Verbindungsschicht 4 mit der zweiten Diffusionssper re 6 beschichtet. Das Aufträgen beziehungsweise Anordnen der zweiten Diffusionssperre 6 erfolgt analog zu dem Aufträgen beziehungsweise Anordnen der ersten Diffusionssperre 5, wes halb dies hier nicht erneut beschrieben ist. Dies gilt selbstverständlich auch dann, wenn keine erste Diffusions sperre 5 vorgesehen ist.
Anschließend kann die zweite Schicht 3 auf die Verbindungs schicht 4 beziehungsweise die zweite Diffusionssperre 6 auf gebracht beziehungsweise auf dieser angeordnet werden. Mit anderen Worten kann die Verbindungsschicht 4 beziehungsweise die zweite Diffusionssperre 6 mit der zweiten Schicht 3 be schichtet werden. Hierfür eignet sich insbesondere atmosphä risches Plasmaspritzen. Vorzugsweise wird das
yttriumstabilisierte Zirkonoxid mittels des atmosphärischen Plasmaspritzens auf der Verbindungsschicht 4 beziehungsweise der zweiten Diffusionssperre 6 angeordnet.
FIG 2 zeigt beispielhaft und äußerst schematisch eine Gastur bine 10. Die Gasturbine 10 weist ein Bauteil 11 auf, welches einen Trägerkörper 7 aus einer metallischen Legierung und ein Hitzeschild 13 umfasst. Der Werkstoffverbund 1 beziehungswei se der Hitzeschild 13 sind dazu ausgebildet, den Trägerkörper 7 vor einer thermischen Belastung durch eine Verbrennung von Brennstoff in der Gasturbine 10 zu schützen. Dank des Hitze schilds 13 ist ein Betrieb der Gasturbine 10 bei einer Ver brennungstemperatur von mehr als 1400° Celsius, mehr als 1600°C oder noch mehr möglich, was gegenüber einer geringeren Verbrennungstemperatur einen höheren Wirkungsgrad ermöglicht. Durch den höheren Wirkungsgrad kann ein Schadstoffausstoß der Gasturbine 10 verringert werden. Außerdem ist der Betrieb der Gasturbine 10 im Vergleich zu einer Gasturbine mit geringerem Wirkungsgrad effizienter und kostengünstiger. Beispielhafte für Bauteile 11 der Gasturbine 10, welche mit tels des Hitzeschilds 13 aus dem Werkstoffverbunds 1 ge schützt werden können, sind beispielsweise Brennkammer, Über gangskanäle, Leitschaufein und Ringsegmente. Außerdem ist im Betrieb einer solchen Gasturbine 10 auch der Einsatz wasser stoffreichen Brennstoffs beziehungsweise Brenngases möglich, weil der Verbund aus erster Schicht 2 und zweiter Schicht 3 das Bauteil 11 der Gasturbine 10 vor Korrosion durch Wasser schützt, welches im Betrieb aufgrund der hohen Flammgeschwin- digkeit und des Flammenrückschlags des Wasserstoffs zuge spritzt werden kann.
Dank der thermischen Belastbarkeit des Werkstoffverbunds 1 beziehungsweise des Hitzeschilds 13 kann eine Filmkühlung von Brennkammerelementen der Gasturbine 10 gegenüber dem Stand der Technik verringert werden oder ganz darauf verzichtet werden. Filmkühlung bedeutet, dass durch Bohrungen in der me tallischen Auskleidung der Brennkammer kühle, nicht verbrann te Luft eingeblasen wird. Diese kühle Luft mischt sich mit dem heißen Gas. Die Temperatur sinkt und bei der Verbrennung entstehen unerwünschte Nebenprodukte wie Kohlenmonoxid und unverbrannte Kohlenwasserstoffe. Zum anderen erfolgt durch die zugeführte Luft eine Verbrennung des verblendeten Brenn stoff-Luft-Gemischs . Das bedeutet, das Gemisch ist fetter ge worden, weil mehr Stickstoff und Sauerstoff vorhanden sind. Folglich werden mehr schädliche Stickoxide gebildet. Dank der hohen thermischen Belastbarkeit und einer verbesserten Tempe raturisolation der Gasturbine 10 durch den Werkstoffverbunds 1 beziehungsweise das Hitzeschild 13 ermöglicht den Verzicht beziehungsweise die Herabsetzung der Filmkühlung und somit eine niedrigere Schadstoffemission. Durch einen geringeren Kühlbedarf der Gasturbine 10 allgemein können weniger Durch lässe für Kühlfluid nötig sein. Hierdurch werden die Kosten für die Herstellung der Gasturbine 10 gesenkt und/oder der Wirkungsgrad der Gasturbine 10 weiter erhöht.

Claims

Patentansprüche
1. Werkstoffverbund (1) mit:
einer ersten Schicht (2), welche zumindest aus einem ke ramischen ersten Werkstoff gebildet ist; und
einer auf der ersten Schicht (2) angeordneten zweiten Schicht (3) , welche zumindest aus einem von dem ersten Werkstoff verschiedenen keramischen zweiten Werkstoff ge bildet ist;
gekennzeichnet durch
eine zwischen der ersten Schicht (2) und der zweiten Schicht
(3) angeordnete und zumindest teilweise aus einem Molybdän- Titancarbid-Kompositwerkstoff gebildete Verbindungsschicht
(4), über welche die erste Schicht (2) mit der zweiten
Schicht (3) verbunden ist.
2. Werkstoffverbund (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, dass die Verbindungsschicht (4) sowohl die erste Schicht (2) als auch die zweite Schicht (3) direkt berührt.
3. Werkstoffverbund (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge kennzeichnet, dass die Verbindungsschicht (4) sowohl mit der ersten Schicht (2) als auch mit der zweiten Schicht (3) über wenigstens eine jeweilige Stoffschlüssige Verbindung verbun den ist.
4. Werkstoffverbund (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich net, dass die Verbindungsschicht (4) mit der ersten Schicht (2) und/oder mit der zweiten Schicht (3) direkt stoffschlüs sig verbunden ist.
5. Werkstoffverbund (1) nach einem der vorhergehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der ersten Schicht (2) und der Verbindungsschicht (4) eine erste Diffusionssper re (5) und/oder zwischen der zweiten Schicht (3) und der Ver bindungsschicht (4) eine zweite Diffusionssperre (6) angeord net ist.
6. Werkstoffverbund (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeich net, dass die erste Diffusionssperre (5) und/oder die zweite Diffusionssperre (6) zumindest aus Aluminiumoxid gebildet ist .
7. Werkstoffverbund (1) nach Anspruch 5 oder 6, dadurch ge kennzeichnet, dass die erste Diffusionssperre (5) mittels Atomlagenabscheidung auf die erste Schicht (2) aufgebracht ist und/oder die zweite Diffusionssperre (6) mittels Atomla genabscheidung auf die Verbindungsschicht (4) aufgebracht ist .
8. Werkstoffverbund (1) nach einem der vorhergehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Werkstoff ein ke ramischer Faserverbundwerkstoff ist, der insbesondere zumin dest aus keramischen Fasern (20) und einer keramischen Matrix (21) gebildet ist, in welche die Fasern (20) eingebettet sind .
9. Werkstoffverbund (1) nach einem der vorhergehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Werkstoff eine höhere Hitzebeständigkeit und/oder Korrosionsbeständigkeit als der erste Werkstoff aufweist.
10. Werkstoffverbund (1) nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Werkstoff durch yttriumstabilisiertes Zirkonoxid gebildet ist.
11. Bauteil (11), welches zumindest aus einem Werkstoffver bund (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche gebildet ist .
12. Bauteil (11) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (11) wenigstens einen Trägerkörper (7) auf weist, welcher zumindest teilweise mit dem Werkstoffverbund (1) als Hitzeschild (13) versehen ist.
13. Bauteil (11) nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekenn zeichnet, dass der Trägerkörper (7) aus einem von dem ersten und dem zweiten Werkstoff unterschiedlichen dritten Werk stoff, insbesondere aus einem metallischen Werkstoff, gebil det ist.
14. Gasturbine (10) mit einem Bauteil (11) nach einem der An sprüche 11 bis 13.
15. Verfahren zum Herstellen eines Werkstoffverbunds (1), bei welchem eine erste Schicht (2) zumindest aus einem kerami schen ersten Werkstoff und eine zweite Schicht (3) auf der ersten Schicht (2) angeordnet und zumindest aus einem von dem ersten Werkstoff verschiedenen keramischen zweiten Werkstoff gefertigt wird,
dadurch gekennzeichnet, dass
zwischen der ersten Schicht (2) und der zweiten Schicht (3) eine zumindest teilweise aus einem Molybdän- Titancarbid- Kompositwerkstoff gebildete Verbindungsschicht (4) angeordnet wird, über welche die erste Schicht (2) mit der zweiten
Schicht (3) verbunden wird.
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