EP3823943A1 - Keramisches material auf der basis von zirkonoxid mit weiteren oxiden und schichtsystem - Google Patents

Keramisches material auf der basis von zirkonoxid mit weiteren oxiden und schichtsystem

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EP3823943A1
EP3823943A1 EP19761734.3A EP19761734A EP3823943A1 EP 3823943 A1 EP3823943 A1 EP 3823943A1 EP 19761734 A EP19761734 A EP 19761734A EP 3823943 A1 EP3823943 A1 EP 3823943A1
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EP
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oxide
oxides
mol
ceramic material
material according
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Withdrawn
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EP19761734.3A
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Arturo Flores Renteria
Werner Stamm
Dimitrios Zois
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Siemens Energy Global GmbH and Co KG
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Publication date
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    • C04B2235/3229—Cerium oxides or oxide-forming salts thereof
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    • C04B2235/70—Aspects relating to sintered or melt-casted ceramic products
    • C04B2235/74—Physical characteristics
    • C04B2235/77—Density

Definitions

  • the invention relates to a ceramic material which can be used in particular for the use of ceramic layers.
  • the use of zirconium oxide-based ceramic materials is known from the use for ceramic heat shields made of solid material or ceramic protective layers on turbine blades or high-temperature components. It is important that there is a high sintering resistance, phase stability, high fracture toughness and high elongation tolerance.
  • the object is achieved by a ceramic material according to claim 1.
  • Figures 1, 2 show schematically layer systems made of a ceramic material.
  • yttrium oxide Y2O3
  • cerium oxide CeCg
  • calcium oxide CaO
  • magnesium oxide MgO
  • s base oxide
  • Er203 erbium oxide
  • Yb203 ytterbium oxide
  • Such a ceramic layer has in particular a layer thickness of 20 mm to 100 mm, in particular up to 2000 mm and can preferably be produced by means of thermal spraying, in particular APS or EB-PVD.
  • the ceramic material has a high sintering resistance, a high elongation tolerance and high fracture toughness, and it has a lower thermal conductivity.
  • ZrO 2 + Y 2 O 3 is not the subject of the invention (disclaimer).
  • FIG. 1 shows a layer system 1 according to the invention.
  • the layer system 1 has a substrate 4.
  • the substrate 4 is in particular a nickel-based superalloy or is a CMC substrate.
  • a bonding layer is present on the substrate 4, which is a connection layer in particular in the case of a nickel-based superalloy
  • NiCoCrAlY-based alloy or an aluminide or a platinum-aluminide layer.
  • TGO An oxide layer (TGO) forms on this metallic adhesion promoter layer during coating or during operation.
  • a ceramic layer according to the ceramic material is applied on this oxide layer (TGO) or on the metallic adhesion promoter layer 7.
  • FIG. 2 A variant is shown in FIG. 2 in which the layer system 1 'is formed in two layers with respect to the ceramic protective layer 10'. The same applies to FIG. 1 with regard to the substrate 4 and / or the substrate materials of the connection layer 7. However, the outermost ceramic layer 16 forms the ceramic material of the invention here.
  • this ceramic layer 16 there is a ceramic connection layer 13 for the purpose of adapting thermal expansion coefficients or adapting the porosities.
  • the segmented ceramic layer 10, 16 has a density of 90% to 96% of the theoretical density, in particular 92% to 95% of the very particular theoretical density, so that the density is in particular> 5.5 g / cm 3 .
  • the ceramic powder preferably has a grain size distribution of 10 mm to 65 mm.
  • the depth of the vertical macro cracks 20 in the ceramic layer 10, 16 is at least 75% of the thickness of the ceramic layer, in particular the depth of the macro cracks should be 20 to at least 90% of the layer thickness. Only these are counted when specifying the density of the macro cracks per millimeter.

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Abstract

Durch gezielte Auswahl der Zugaben von Oxiden zu Zirkonoxid wird ein keramisches Material bereitgestellt, insbesondere für die Verwendung eines Schichtsystems, das einen hohen Sinterwiderstand, hohe Dehnungstoleranz und geringe Wärmeleitfähigkeit aufweist.

Description

Keramisches Material auf der Basis von Zirkonoxid mit weiteren Oxiden und Schichtsystem
Die Erfindung betrifft ein keramisches Material, was insbe- sondere zur Verwendung von keramischen Schichten verwendet werden kann. Die Verwendung von Zirkonoxid-basierten kerami- schen Materialien ist aus der Verwendung für keramische Hit- zeschilde aus Vollmaterial oder keramische Schutzschichten auf Turbinenschaufeln oder Hochtemperaturbauteilen bekannt. Dabei ist es wichtig, dass ein hoher Sinterwiderstand, eine Phasenstabilität, eine hohe Bruchzähigkeit und hohe Dehnungs- toleranz gegeben ist.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung bestehende Materialsysteme zu verbessern.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein keramisches Material gemäß Anspruch 1.
In den weiteren Unteransprüchen sind weitere Vorteile aufge- listet, die beliebig miteinander kombiniert werden können, um weitere Vorteile zu erzielen.
Es zeigen die Figuren 1, 2 schematisch Schichtsysteme aus einem keramischen Material.
Es wird vorgeschlagen, 4mol% bis 30mol% Yttriumoxid (Y2O3) , Ceroxid (CeCg) , Calciumoxid (CaO) und/oder Magnesiumoxid (MgO) als weitere Oxide und/oder als Basisoxid (e) 2mol% bis 30mol% Erbiumoxid (Er203) und/oder Ytterbiumoxid (Yb203) zu verwenden .
Weitere vorteilhafte Anteile der Oxide sind wie folgt:
2mol% bis 30mol% Basisoxide, insbesondere 4mol% bis 30mol%, ganz insbesondere 6mol% bis 30mol% Basisoxide,
und/oder 4mol% bis 30mol% weitere Oxide, insbesondere 4mol% bis
28mol%, ganz insbesondere 4mol% bis 26mol% weitere Oxide, oder
6mol% bis 30mol% weitere Oxide, insbesondere 8mol% bis
30mol%, ganz insbesondere 10mol% bis 30mol% weitere Oxide, oder
6mol% bis 28mol% weitere Oxide, insbesondere 6mol% bis
26mol%, ganz insbesondere 10mol% bis 28mol% weitere Oxide.
Eine solche keramische Schicht hat insbesondere eine Schicht- dicke von 20mm bis lOOOmm, insbesondere bis 2000mm und kann vorzugsweise mittels thermischem Spritzen, insbesondere APS oder EB-PVD hergestellt werden.
Das keramische Material hat einen hohen Sinterwiderstand, eine hohe Dehnungstoleranz und hohe Bruchzähigkeit sowie weist es eine geringere Wärmeleitfähigkeit auf.
Ausführungsbeispiele (nicht abschließend) sind:
ZrO2 + Y2O3 ist nicht Gegenstand der Erfindung (Disclaimer) .
Figur 1 zeigt ein erfindungsgemäßes Schichtsystem 1.
Das Schichtsystem 1 weist ein Substrat 4 auf. Das Substrat 4 ist insbesondere eine Nickelbasis-Superlegierung oder stellt ein CMC-Substrat dar.
Auf dem Substrat 4 ist eine Anbindungsschicht vorhanden, die insbesondere bei einer Nickelbasis-Superlegierung eine
NiCoCrAlY-basierte Legierung oder eine Aluminid- bzw. eine Platin-Aluminidschicht darstellt .
Auf dieser metallischen Haftvermittlerschicht bildet sich während des Beschichtens oder während des Betriebs eine Oxid- schicht (TGO) aus.
Auf dieser Oxidschicht (TGO) oder auf der metallischen Haft- vermittlerschicht 7 ist eine keramische Schicht gemäß dem keramischen Material aufgebracht.
Im Falle eines keramischen Substrats 4 (CMC) ist gegebenen- falls keine Anbindungsschicht für die keramische Schicht 10 notwendig .
In Figur 2 ist eine Variante gezeigt, bei der das Schichtsys- tem 1' bezüglich der keramischen Schutzschicht 10' zweilagig ausgebildet ist. Bezüglich des Substrats 4 und/oder der Sub- stratmaterialien der Anbindungsschicht 7 gilt vergleichbares bei Figur 1. Jedoch bildet die äußerste keramische Schicht 16 hier das keramische Material der Erfindung.
Unter dieser keramischen Schicht 16 ist eine keramische An- bindungsschicht 13 vorhanden zwecks Anpassung von thermischen Ausdehnungskoeffizienten oder Anpassung der Porositäten.
Die segmentierte, keramische Schicht 10 ,16 weist eine Dichte von 90% bis 96% der theoretischen Dichte, insbesondere 92% bis 95% der ganz ins besonderen theoretischen Dichte auf, so dass die Dichte insbesondere bei > 5,5 g/cm3 liegt. Die vertikalen Makrorisse 20 in der keramischen Schicht 10,
16 weisen eine lineare Dichte von mindestens 2 Makrorissen pro Millimeter auf bis zu einer linearen Dichte von 20 bis 30 Makrorissen/mm.
Das keramische Pulver weist vorzugsweise eine Korngrößenver- teilung von 10mm bis 65mm auf.
Die Tiefe der vertikalen Makrorisse 20 in der keramischen Schicht 10, 16 beträgt mindestens 75% der Dicke der kerami- schen Schicht, insbesondere sollte die Tiefe der Makrorisse 20 bis mindestens 90% der Schichtdicke aufweisen. Nur diese werden gezählt bei der Angabe der Dichte der Makrorisse per Millimeter .

Claims

Patentansprüche
1. Keramisches Material
auf der Basis von Zirkonoxid (ZrCt)
mit Ytterbiumoxid (Yb ) und/oder Erbiumoxid (Er2O3) als Basisoxid oder als Basisoxide
und/oder
mit zumindest einem weiteren Oxid,
insbesondere mit zumindest zwei weiteren Oxiden,
ausgewählt aus der Gruppe: Yttriumoxid (Y2O3) , Ceroxid (CeO2) , Calciumoxid (CaO) und/oder Magnesiumoxid (MgO) , insbesondere dass das keramische Material daraus besteht.
2. Keramisches Material nach Anspruch 1,
aufweisend nur ein oder nur zwei Basisoxide,
insbesondere nur ein Basisoxid,
ganz insbesondere nur zwei Basisoxide.
3. Keramisches Material nach Anspruch 1,
aufweisend nur ein oder nur mehrere weitere Oxide,
insbesondere nur ein weiteres Oxid,
ganz insbesondere nur zumindest zwei weitere Oxide.
4. Keramisches Material nach Anspruch 1,
aufweisend zumindest ein Basisoxid und zumindest ein weite- res Oxid,
insbesondere nur ein Basisoxid und zumindest ein weiteres Oxid .
5. Keramisches Material nach einem oder beiden der Ansprü- che 1 oder 4,
aufweisend :
zwei Basisoxide und zumindest ein weiteres Oxid,
insbesondere zwei Basisoxide und nur ein weiteres Oxid, ganz insbesondere zwei Basisoxide und nur zwei weitere Oxide .
6. Keramisches Material nach Anspruch 1, 3, 4 oder 5, bei dem Yttriumoxid (Y2O3) als weiteres Oxid verwendet wird,
insbesondere nur Yttriumoxid (Y2O3) als weiteres Oxid ver- wendet wird.
7. Keramisches Material nach Anspruch 1, 2, 4, 5 oder 6, bei dem nur Ytterbiumoxid (Yb203) als Basisoxid verwendet wird .
8. Keramisches Material nach Anspruch 1, 2, 4, 5 oder 6, bei dem nur Erbiumoxid (Er203) als Basisoxid verwendet wird .
9. Keramisches Material nach Anspruch 1, 2, 4, 5 oder 6, bei dem nur Erbiumoxid (Er2Ü3) und Ytterbiumoxid (Yb203) als Basisoxide verwendet werden.
10. Keramisches Material nach einem oder mehreren der An- sprüche 1, 3, 4, 5, 6, 7, 8 oder 9,
aufweisend Calciumoxid (CaO) als weiteres Oxid,
insbesondere nur Calciumoxid (CaO) als weiteres Oxid.
11. Keramisches Material nach Anspruch 1, 3, 4, 5, 6, 7, 8,
9 oder 10,
bei dem Ceroxid (Ce02 ) als weiteres Oxid verwendet wird, insbesondere nur Ceroxid (Ce02 ) als weiteres Oxid verwendet wird .
12. Keramisches Material nach einem oder mehreren der An- sprüche 1, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 oder 11,
bei dem Magnesiumoxid (MgO) als weiteres Oxid verwendet wird,
insbesondere nur dieses als weiteres Oxid verwendet wird.
13. Keramisches Material nach Anspruch 1, 3, 4, 5, 6, 7, 8 oder 9,
bei dem Calciumoxid (CaO) und Ceroxid (Ce02 ) als weitere Oxide verwendet werden,
insbesondere nur diese als weitere Oxide verwendet werden.
14. Keramisches Material nach Anspruch 1, 3, 4, 5, 6, 7, 8 oder 9,
bei dem Calciumoxid (CaO) und Magnesiumoxid (MgO) als wei- tere Oxide verwendet werden,
insbesondere nur diese als weitere Oxide verwendet werden.
15. Keramisches Material nach Anspruch 1, 3, 4, 5, 6, 7, 8 oder 9,
bei dem Magnesiumoxid (MgÜ2) und Ceroxid (Ce02 ) als weitere Oxide verwendet werden,
insbesondere nur diese als weitere Oxide verwendet werden.
16. Keramisches Material nach einem oder mehreren der An- sprüche 1, 3, 4, 5, 6, 7, 8 oder 9,
bei dem Magnesiumoxid (MgO) , Calciumoxid (CaO) und Ceroxid (CeÜ2) als weitere Oxide verwendet werden,
insbesondere nur diese als weitere Oxide verwendet werden.
17. Keramisches Material nach einem oder mehreren der An- sprüche 1, 3, 4, 5, 6, 7, 8 oder 9,
bei dem Yttriumoxid (Y2O3) , Calciumoxid (CaO) und Ceroxid (CeÜ2 ) als weitere Oxide verwendet werden,
insbesondere nur diese als weitere Oxide verwendet werden.
18. Keramisches Material nach einem oder mehreren der An- sprüche 1 bis 17,
das 2mol% bis 30mol% Basisoxide,
insbesondere 4mol% bis 30mol%,
ganz insbesondere 6mol% bis 30mol% Basisoxide aufweist.
19. Keramisches Material nach einem oder mehreren der An- sprüche 1 bis 18,
das 4mol% bis 30mol% weitere Oxide,
insbesondere 4mol% bis 28mol%,
ganz insbesondere 4mol% bis 26mol%
weitere Oxide aufweist.
20. Keramisches Material nach einem oder mehreren der An- sprüche 1 bis 18,
das 6mol% bis 30mol% weitere Oxide,
insbesondere 8mol% bis 30mol%,
ganz insbesondere 10mol% bis 30mol%
weitere Oxide aufweist.
21. Keramisches Material nach einem oder mehreren der An- sprüche 1 bis 18,
das 6mol% bis 28mol% weitere Oxide,
insbesondere 6mol% bis 26mol%,
ganz insbesondere 10mol% bis 28mol%
weitere Oxide aufweist.
22. Pulver,
aufweisend ein keramisches Material nach einem oder mehre- ren der Ansprüche 1 bis 21,
insbesondere bestehend daraus,
das insbesondere eine Korngrößenverteilung von 10mm bis 65mm aufweist.
23. Schichtsystem,
aufweisend ein Substrat,
insbesondere ein metallisches Substrat,
auf der Basis einer Nickel- oder Kobalt-basierten Super- legierung,
eine Anbindungsschicht,
insbesondere eine Anbindungsschicht auf der Basis
NiCoCrAlY,
sowie eine keramische Schicht auf der Basis eines kerami- schen Materials nach einem oder mehreren der vorherigen An- sprüche 1 bis 21
oder
hergestellt aus einem Pulver gemäß Anspruch 22.
24. Schichtsystem nach Anspruch 23,
aufweisend eine Schichtdicke für die keramische Schicht von 20mm bis lOOOmm,
insbesondere bis 2000mm,
ganz insbesondere hergestellt mittels thermischem Spritzen, insbesondere mittels APS oder EB-PVD.
25. Schichtsystem nach einem oder beiden der Ansprüche 23 oder 24,
mit einer Dichte von 90% bis 96% der theoretischen Dichte, insbesondere mit 92% bis 95% der theoretischen Dichte für die keramische Schicht.
26. Schichtsystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 23, 24 oder 25,
mit einer Dichte von mindestens 2 Makrorissen per Milli- meter in der keramischen Schicht,
wobei Makrorisse mindestens 75% der Tiefe der Dicke der keramischen Schicht darstellen.
27. Schichtsystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 23, 24, 25 oder 26,
mit einer Dichte von 2 bis 60 Makrorissen,
insbesondere mindestens 40 Makrorissen,
ganz insbesondere mindestens 50 Makrorissen,
per Millimeter
in der keramischen Schicht,
wobei Makrorisse mindestens 75% der Tiefe der Dicke der keramischen Schicht darstellen.
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