KR20220097963A - 세라믹 재료, 분말, 그리고 세라믹 재료를 포함하는 층 시스템 - Google Patents

세라믹 재료, 분말, 그리고 세라믹 재료를 포함하는 층 시스템 Download PDF

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KR20220097963A
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렌테리아 아르투로 플로레스
디미트리오스 조이스
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지멘스 에너지 글로벌 게엠베하 운트 코. 카게
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Abstract

본 발명은, 특정 안정화제들의 선택 및 매칭된 비율을 통해, 열차폐를 위한 개선된 세라믹 재료가 달성되는 것, 즉 0.2중량% 내지 8중량%의 염기 안정화제, 즉 산화 이트륨(Y2O3), 산화 하프늄(HfO2), 산화 세륨(CeO2), 산화 칼슘(CaO) 및/또는 산화 마그네슘(MgO)[적어도 산화 이트륨(Y2O3)이 사용됨]과; 선택적으로 추가 안정화제들 중 하나 이상의 추가 안정화제, 즉 0.2중량% 내지 20중량%의 산화 에르븀(Er2O3) 및/또는 산화 이테르븀(Yb2O3);을 갖는 산화 지르코늄이 달성되는 것에 관한 것이다.

Description

세라믹 재료, 분말, 그리고 세라믹 재료를 포함하는 층 시스템
본 발명은, 세라믹 층 시스템들을 위해 사용될 수 있는 세라믹 재료 및 그와 함께 제조된 분말에 관한 것이다.
세라믹은 일반적으로 높은 온도 안정성을 갖고, 이에 따라 터빈, 특히 가스 터빈과 같은 고온 부품의 세라믹 코팅부로서 자주 사용된다.
세라믹 재료의 열차폐 특성을 향상시키기 위한 부단한 노력이 존재한다.
따라서, 본 발명의 과제는 상술한 문제를 해결하는 것이다.
이러한 과제는 청구항 제1항에 따른 세라믹, 청구항 제17항에 따른 세라믹 분말, 및 청구항 제18항에 따른 층 시스템에 의해 해결된다.
안정화제를 갖는 산화지르코늄에 기반하여 세라믹 층이 공지되어 있으며, 이 경우에는 완전 안정화된 산화지르코늄이 자신의 더 양호한 열적 안정성으로 인하여 자주 사용된다.
그러나, 본원의 발상의 목적은, 개선된 안정성, 특히 열적 안정성을 갖는 부분 안정화된 산화 지르코늄을 사용하는 것이다.
도 1 내지 도 4는 본 발명의 실시예들을 도시한 도면들이다.
산화 지르코늄은 0.2중량% 내지 8중량%, 특히 0.2중량% 내지 6.0중량%의 염기 안정화제, 즉 산화 이트륨, 산화 하프늄, 산화 세륨, 산화 칼슘 및/또는 산화 마그네슘에 의해 안정화되고, 선택적으로 0.2중량% 내지 20중량%의 추가 안정화제, 즉 산화 에르븀 및/또는 산화 이테르븀에 의해 안정화된다.
산화 이트륨은 어떠한 경우에도 사용되고, 염기 안정화제들, 즉 산화 하프늄, 산화 세륨, 산화 칼슘 및/또는 산화 마그네슘 중 하나 이상의 염기 안정화제가 사용된다.
이러한 세라믹 조성물은 분말로서 제조될 수 있으므로, 연마 층들의 사용에서와 같이 추가의 첨가제들이 입방정 질화 붕소 또는 기타 연마 입자들을 포함한다.
층 시스템(1I)(도 1)에서는 세라믹 층(10I)이 금속에 도포되고, 니켈- 또는 코발트 기반 초합금들이 기판(4)으로서 바람직하게 사용될 때, 산화 알루미늄(TGO, 미도시)을 형성하는 금속 접착 층(7)이 존재하고, 금속 접착 촉진층은 바람직하게는 알루미나이드, 백금 알루미나이드 또는 기초로서 NiCoCrAlY 합금을 나타내며, 선택적으로 x = Ta, Re, Fe 및/또는 Si이다.
본 발명에 따른 세라믹 재료로 이루어진 세라믹 층은 EB-PVD, 플라즈마 용사(APS 등) 등에 의해 제조될 수 있으며, 기둥 구조 또는 분절 구조를 갖는다.
층(10I, 10Ⅱ, 10Ⅲ, 10Ⅳ)(도 2 내지 도 4)은 바람직하게는 100㎛ 내지 1000㎛의 층 두께를 갖는다.
도 2에 도시된 바와 같이, 도 1에서와 같은 세라믹 층(10Ⅱ)은 세라믹 하부층(13Ⅱ)도 포함할 수 있지만, 이러한 세라믹 하부층의 층 두께는 본 발명에 따른 세라믹 층(10Ⅱ)의 세라믹 재료의 층 두께보다 적어도 20% 더 얇게 형성된다.
세라믹 하부층(13Ⅱ)은 바람직하게는 8YSZ, 즉 3mol% 내지 4mol%의 이트륨 안정화된 산화 지르코늄을 포함하고, 이에 따라 세라믹 층(10Ⅱ)의 재료와는 확실히 상이하다.
도 3 및 도 4는 본 발명에 따른 층 구조(1Ⅲ, 1Ⅳ)들에 대한 추가 예시들을 도시한다.
도 3에 따르면, 도 1과 비교하여, 최외측 세라믹 층(10Ⅲ)의 표면(18)으로부터 시작하는 더 길고 수직인 복수의 균열(15, 15I)들을 포함하는 층 시스템(1Ⅲ)의 분절형 세라믹 층(10Ⅲ)이 존재하고, 이러한 균열들은 대부분 전체 세라믹 층 두께에 걸쳐 연장되며, 여기서는 특히 금속 접착 층(7) 또는 그의 TGO(미도시)에 이르기까지 연장된다.
마찬가지로, 층 시스템(1Ⅳ)은 최외곽 TBC(10Ⅳ)를 위한 세라믹 결합 층(13Ⅳ)(도 4)을 포함할 수 있으며, 결합 층(13Ⅳ)은 도 2에 설명된 바와 같이 형성될 수 있다.
최외각 세라믹층(10Ⅳ)은 특히 도 3에서의 최외각 층(10Ⅲ)과 같이 형성된다.
그러나, 세라믹 결합 층(13Ⅳ) 내에는 바람직하게, 2개의 세라믹 층(10Ⅳ, 13Ⅳ)들을 통해 연장되는 수직 균열(14)들도 마찬가지로 연장된다.
이러한 더 긴 균열들은 특별한 공정 매개변수들 또는 제조 방법들을 통해 생성되고, 복수의 입자들 사이의 균열들을 나타내지 않는다.
실시예들(굵게 기재된 항목 = 특히 바람직함):
ZrO2 + Y2O3 + CeO2
ZrO2 + Y2O3 + MgO
ZrO2 + Y2O3 + HfO2
ZrO2 + Y2O3 + CaO
ZrO2 + Y2O3 + CeO2 + MgO
ZrO2 + Y2O3 + MgO + HfO2
ZrO2 + Y2O3 + HfO2 + CaO
ZrO2 + Y2O3 + CeO2 + HfO2
ZrO2 + Y2O3 + MgO + CaO
ZrO2 + Y2O3 + CeO2 + CaO
ZrO2 + Y2O3 + CaO + CeO2 + HfO2
ZrO2 + Y2O3 + HfO2 + MgO + CaO
ZrO2 + Y2O3 + CeO2 + MgO + CaO
ZrO2 + Y2O3 + CeO2 + MgO + HfO2
ZrO2 + Y2O3 + HfO2 + CaO + CeO2 + MgO
ZrO2 + Y2O3 + CeO2 + Yb2O3
ZrO2 + Y2O3 + MgO + Yb2O3
ZrO 2 + Y 2 O 3 + HfO 2 + Yb 2 O 3
ZrO2 + Y2O3 + CaO + Yb2O3
ZrO2 + Y2O3 + CeO2 + MgO + Yb2O3
ZrO2 + Y2O3 + MgO + HfO2 + Yb2O3
ZrO2 + Y2O3 + HfO2 + CaO + Yb2O3
ZrO2 + Y2O3 + CeO2 + HfO2 + Yb2O3
ZrO2 + Y2O3 + MgO + CaO + Yb2O3
ZrO2 + Y2O3 + CeO2 + CaO + Yb2O3
ZrO2 + Y2O3 + CaO + CeO2 + HfO2 + Yb2O3
ZrO2 + Y2O3 + HfO2 + MgO + CaO + Yb2O3
ZrO2 + Y2O3 + CeO2 + MgO + CaO + Yb2O3
ZrO2 + Y2O3 + CeO2 + MgO + HfO2 + Yb2O3
ZrO2 + Y2O3 + HfO2 + CaO + CeO2 + MgO + Yb2O3
ZrO2 + Y2O3 + CeO2 + Er2O3
ZrO2 + Y2O3 + MgO + Er2O3
ZrO2 + Y2O3 + HfO2 + Er2O3
ZrO2 + Y2O3 + CaO + Er2O3
ZrO2 + Y2O3 + CeO2 + MgO + Er2O3
ZrO2 + Y2O3 + MgO + HfO2 + Er2O3
ZrO2 + Y2O3 + HfO2 + CaO + Er2O3
ZrO2 + Y2O3 + CeO2 + HfO2 + Er2O3
ZrO2 + Y2O3 + MgO + CaO + Er2O3
ZrO2 + Y2O3 + CeO2 + CaO + Er2O3
ZrO2 + Y2O3 + CaO + CeO2 + HfO2 + Er2O3
ZrO2 + Y2O3 + HfO2 + MgO + CaO + Er2O3
ZrO2 + Y2O3 + CeO2 + MgO + CaO + Er2O3
ZrO2 + Y2O3 + CeO2 + MgO + HfO2 + Er2O3
ZrO2 + Y2O3 + HfO2 + CaO + CeO2 + MgO + Er2O3
ZrO2 + Y2O3 + CeO2 + Yb2O3 + Er2O3
ZrO2 + Y2O3 + MgO + Yb2O3 + Er2O3
ZrO 2 + Y 2 O 3 + HfO 2 + Yb 2 O 3 + Er 2 O 3
ZrO2 + Y2O3 + CaO + Yb2O3 + Er2O3
ZrO2 + Y2O3 + CeO2 + MgO + Yb2O3 + Er2O3
ZrO2 + Y2O3 + MgO + HfO2 + Yb2O3 + Er2O3
ZrO2 + Y2O3 + HfO2 + CaO + Yb2O3 + Er2O3
ZrO2 + Y2O3 + CeO2 + HfO2 + Yb2O3 + Er2O3
ZrO2 + Y2O3 + MgO + CaO + Yb2O3 + Er2O3
ZrO2 + Y2O3 + CeO2 + CaO + Yb2O3 + Er2O3
ZrO2 + Y2O3 + CaO + CeO2 + HfO2 + Yb2O3 + Er2O3
ZrO2 + Y2O3 + HfO2 + MgO + CaO + Yb2O3 + Er2O3
ZrO2 + Y2O3 + CeO2 + MgO + CaO + Yb2O3 + Er2O3
ZrO2 + Y2O3 + CeO2 + MgO + HfO2 + Yb2O3 + Er2O3
ZrO2 + Y2O3 + HfO2 + CaO + CeO2 + MgO + Yb2O3 + Er2O3
세라믹 재료는 바람직하게는 2.5중량% 내지 5.5중량%의 산화 이트륨(Y2O3), 특히 3.0중량% 내지 5.0중량%의 산화 이트륨(Y2O3), 매우 특히 3.5중량% 내지 4.0중량%의 산화 이트륨을 포함한다.
마찬가지로, 세라믹 재료는 바람직하게는 1.5중량% 내지 3.0중량%의 산화 이트륨(Y2O3), 특히 2.0중량% 내지 2.5중량%의 산화 이트륨(Y2O3)을 포함할 수 있다.
세라믹 재료는 바람직하게는 0.2중량% 내지 4.0중량%의 산화 하프늄(HfO2), 특히 0.5중량% 내지 4.0중량%의 산화 하프늄(HfO2), 매우 특히 0.6중량% 내지 4.0중량%의 산화 하프늄(HfO2)을 포함한다.
바람직하게, 세라믹 재료는 더 양호한, 즉 더 낮은 열 전도성을 위해 0.2중량% 내지 2.0중량%의 산화 하프늄(HfO2), 특히 0.6중량% 내지 2.0중량%의 산화 하프늄(HfO2), 매우 특히 0.8중량% 내지 2.0중량%의 산화 하프늄(HfO2)을 포함한다.
바람직하게, 세라믹 재료는 더 양호한 열적 안정성을 위해 2.0중량% 내지 4.0중량%의 산화 하프늄(HfO2), 특히 2.4중량% 내지 4.0중량%의 산화 하프늄(HfO2), 매우 특히 4.0중량% 내지 4.0중량%의 산화 하프늄(HfO2)을 포함한다.
바람직하게, 세라믹 재료는 5.5중량% 내지 8.5중량%의 산화 이테르븀(Yb2O3), 특히 6.0중량% 내지 8.0중량%의 Yb2O3, 매우 특히 6.5중량% 내지 7.5중량%의 Yb2O3을 포함한다.
바람직하게, 세라믹 재료는 3.0중량% 내지 4.5중량%의 산화 이테르븀(Yb2O3), 특히 3.5중량% 내지 4.0중량%의 산화 이테르븀(Yb2O3)을 포함한다.
마찬가지로 바람직하게, 세라믹 재료는 2.0중량% 내지 4.0중량%의 Er2O3, 특히 2.5중량% 내지 3.5중량%의 Er2O3을 포함한다.
또한 바람직하게, 세라믹 재료는 (6.0 - x)중량%의 Y2O3 + (2-4)x중량%의 Yb2O3/Er2O3를 포함하고, 즉 4.0중량%의 Y2O3에서 x=2에 상응하고, Yb2O3/Er2O3의 비율은 (2-4)*2, 즉 4중량% 내지 8중량%이다.

Claims (24)

  1. 0.2중량% 내지 8.0중량%의 염기 안정화제, 특히 0.2중량% 내지 6.0중량%의 염기 안정화제, 즉 산화 이트륨(Y2O3), 산화 하프늄(HfO2), 산화 세륨(CeO2), 산화 칼슘(CaO) 및/또는 산화 마그네슘(MgO)[적어도 산화 이트륨(Y2O3)이 사용됨]과;
    선택적으로 추가 안정화제들 중 하나 이상의 추가 안정화제, 즉 0.2중량% 내지 20중량%의 산화 에르븀(Er2O3) 및/또는 산화 이테르븀(Yb2O3);을 갖는 산화지르코늄(ZrO2)에 기반한, 세라믹 재료.
  2. 제1항에 있어서,
    적어도 0.5중량% 그리고 최대 6.0중량%의 산화 이트륨(Y2O3)을 포함하는, 세라믹 재료.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    2.5중량% 내지 5.5중량%의 산화 이트륨(Y2O3), 특히 3.0중량% 내지 5.0중량%의 산화 이트륨(Y2O3), 매우 특히 3.5중량% 내지 4.0중량%의 산화 이트륨(Y2O3)을 포함하는, 세라믹 재료.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    1.5중량% 내지 3.0중량%의 산화 이트륨(Y2O3), 특히 2.0중량% 내지 2.5중량%의 산화 이트륨(Y2O3)을 포함하는, 세라믹 재료.
  5. 제1항, 제2항, 제3항 또는 제4항 중 어느 한 항 또는 복수의 항에 있어서,
    염기 안정화제로서 적어도 산화 이트륨(Y2O3) 및 산화 하프늄(HfO2)을 포함하고, 특히 염기 안정화제로서 오직 산화 이트륨(Y2O3) 및 산화 하프늄(HfO2)만을 포함하는, 세라믹 재료.
  6. 제1항, 제2항, 제3항, 제4항 또는 제5항 중 어느 한 항 또는 복수의 항에 있어서,
    산화 하프늄(HfO2)의 함량은 0.2중량% 내지 4.0중량%, 특히 0.6중량% 내지 4.0중량%의 산화 하프늄(HfO2), 매우 특히 0.8중량% 내지 4.0중량%의 산화 하프늄(HfO2)인, 세라믹 재료.
  7. 제1항, 제2항, 제3항, 제4항, 제5항 또는 제6항 중 어느 한 항 또는 복수의 항에 있어서,
    추가 안정화제들 중 하나 이상의 추가 안정화제, 즉 산화 에르븀(Er2O3) 및/또는 산화 이테르븀(Yb2O3)을 포함하는, 세라믹 재료.
  8. 제1항, 제2항, 제3항, 제4항, 제5항, 제6항 또는 제7항 중 어느 한 항 또는 복수의 항에 있어서,
    특히 ZrO2-HfO2-Y2O3-Yb2O3으로 구성된 것을 포함하는, 세라믹 재료.
  9. 제1항, 제2항, 제3항, 제4항, 제5항, 제6항 또는 제7항 중 어느 한 항 또는 복수의 항에 있어서,
    특히 ZrO2-HfO2-Y2O3-Yb2O3-Er2O3으로 구성된 것을 포함하는, 세라믹 재료.
  10. 제1항, 제2항, 제3항, 제4항, 제5항, 제6항, 제7항, 제8항 또는 제9항 중 어느 한 항 또는 복수의 항에 있어서,
    5.5중량% 내지 8.5중량%의 산화 이테르븀(Yb2O3), 특히 6.0중량% 내지 8.0중량%의 산화 이테르븀(Yb2O3), 매우 특히 6.5중량% 내지 7.5중량%의 산화 이테르븀(Yb2O3)을 포함하는, 세라믹 재료.
  11. 제1항, 제2항, 제3항, 제4항, 제5항, 제6항, 제7항, 제8항 또는 제9항 중 어느 한 항 또는 복수의 항에 있어서,
    3.0중량% 내지 4.5중량%의 산화 이테르븀(Yb2O3), 특히 3.5중량% 내지 4.0중량%의 산화 이테르븀(Yb2O3)을 포함하는, 세라믹 재료.
  12. 제1항, 제2항, 제3항, 제4항, 제5항, 제6항, 제7항, 제9항, 제10항 또는 제11항 중 어느 한 항 또는 복수의 항에 있어서,
    2.0중량% 내지 4.0중량%의 산화 에르븀(Er2O3), 특히 2.5중량% 내지 3.5중량%의 산화 에르븀(Er2O3)을 포함하는, 세라믹 재료.
  13. 제1항, 제2항, 제3항, 제4항, 제5항, 제6항, 제7항, 제8항, 제9항, 제10항, 제11항 또는 제12항 중 어느 한 항 또는 복수의 항에 있어서,
    (8.0 - x)중량%의 Y2O3 + (2-4)x중량%의 Yb2O3/Er2O3, 특히 (6.0 - x)중량%의 Y2O3 + (2-4)x중량%의 Yb2O3/Er2O3을 포함하는, 세라믹 재료.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항 또는 복수의 항에 있어서,
    산화 하프늄(HfO2)의 함량은 0.2중량% 내지 2.0중량%, 특히 0.6중량% 내지 2.0중량%의 산화 하프늄(HfO2), 매우 특히 0.8중량% 내지 2.0중량%의 산화 하프늄(HfO2)인, 세라믹 재료.
  15. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항 또는 복수의 항에 있어서,
    산화 하프늄(HfO2)의 함량은 2.0중량% 내지 4.0중량%, 특히 2.4중량% 내지 4.0중량%의 산화 하프늄(HfO2), 매우 특히 3.0중량% 내지 4.0중량%의 산화 하프늄(HfO2)인, 세라믹 재료.
  16. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항 또는 복수의 항에 따른 재료의 조성을 포함하고, 특히 이러한 조성으로 구성되는, 세라믹 분말.
  17. 적어도 금속 기판(4), 선택적으로는 금속 접착 촉진층(7)과, 제1항 내지 제15항에 따른 본 발명에 따른 재료에 기초하거나 제16항에 따른 분말을 통해 제조되는 하나 이상의 세라믹 층(10Ⅰ, 10Ⅱ, 10Ⅲ, 10Ⅳ)을 포함하는, 층 시스템(1).
  18. 제17항에 있어서,
    세라믹 층(13Ⅱ, 13Ⅳ; 10I, 10Ⅲ)과 금속 기판(4) 사이에, 특히 기판(4) 바로 위에 금속 접착 촉진층(7)을 포함하고,
    접착 촉진층(7)은 NiCoCrAlY-X 타입의 합금(선택적으로 X = Ta, Re 및/또는 Si), 특히 NiCoCrAlY 또는 NiCoCrAlY-Ta를 포함하는, 층 시스템(1).
  19. 제17항 또는 제18항 중 어느 한 항 또는 두 항에 있어서,
    세라믹 층(10Ⅱ, 10Ⅳ) 아래에는, 특히 적어도 20% 더 얇게 형성되고, 이트륨 안정화된 산화 지르코늄(YSZ), 특히 8YSZ, 즉 3mol% 내지 4mol%의 이트륨 안정화된 산화 지르코늄을 포함하는 세라믹 하부층(13Ⅱ, 13Ⅳ)이 존재하는, 층 시스템(1).
  20. 제17항, 제18항 또는 제19항 중 어느 한 항 또는 복수의 항에 있어서,
    특히 더 긴 수직 균열(14; 15, 15I)들을 통한 분절부를 세라믹 층(10Ⅲ, 10Ⅳ; 13Ⅳ)(들) 내에, 특히 세라믹 하부층(13Ⅳ) 내에도 포함하는, 층 시스템(1).
  21. 제20항에 있어서,
    수직 균열(15, 15I)들을 통한 분절부는 최외측 세라믹 층(10Ⅲ, 10Ⅳ) 내에만 존재하는, 층 시스템(1).
  22. 제20항에 있어서,
    수직 균열(14)들을 통한 분절부는 2개의 세라믹 층(10Ⅳ; 13Ⅳ)들을 통해 연장되는, 층 시스템(1).
  23. 제20항, 제21항 또는 제22항 중 어느 한 항 또는 복수의 항에 있어서,
    복수의 수직 균열(15, 15I)들이 결합 층(7)에 이르기까지 연장되는, 층 시스템(1).
  24. 제22항 또는 제23항 중 어느 한 항 또는 복수의 항에 있어서,
    몇몇의, 특히 복수의 수직 균열(14)들이 표면(18)으로부터 결합 층(7)에 이르기까지 연장되는, 층 시스템(1).
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