WO2003060195A1 - Schichtsystem mit einer porösen schicht - Google Patents

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WO2003060195A1
WO2003060195A1 PCT/EP2002/013752 EP0213752W WO03060195A1 WO 2003060195 A1 WO2003060195 A1 WO 2003060195A1 EP 0213752 W EP0213752 W EP 0213752W WO 03060195 A1 WO03060195 A1 WO 03060195A1
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ceramic
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Uwe Paul
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • Y10T428/249957—Inorganic impregnant

Definitions

  • the invention relates to a layer system with a ceramic portion in the layer.
  • Layer systems consist of a substrate and at least one layer lying on the substrate.
  • substrates in gas turbine construction have to be protected against excessive temperatures and / or corrosive attacks. This can be done, for example, by applying a sheet with a honeycomb structure to the substrate, the honeycombs being filled with a ceramic.
  • the ceramic essentially takes on the protective function.
  • the sheet of the honeycomb structure serves to mechanically stabilize the ceramic.
  • the mechanical connection between the ceramic and the inner surfaces of the honeycomb structure is not good, so that the ceramic comes off again and again.
  • US Pat. No. 5,720,597 shows a blade for a gas turbine which at least partially has a foam-like area on the inside.
  • US Pat. No. 6,299,935 discloses a method for producing a layer, in which the surface of a substrate a suspension of foam and a metallic powder is applied.
  • the object of the invention is therefore to show a layer system which improves the mechanical strength between metal and ceramic.
  • a layer system which consists of a substrate on which a porous layer with a pore fraction of at least 30 percent by volume follows, a ceramic in the form of a coating or as ceramic particles being at least partially introduced into the porous layer ,
  • the ceramic which is applied to the porous layer and at least partially introduced into it, can also form a mixture of different ceramic materials in order to set desired properties in a targeted manner.
  • the porous layer can be filled with ceramic, at least in some areas, in such a way that it is almost tight in these areas, so that an almost tight ceramic layer in the porous layer is achieved in order to take advantage of the advantages of ceramic in terms of heat resistance.
  • a further ceramic protective layer as is known, for example, from the thermal insulation layers of gas turbine blades, can be applied to the ceramic in the porous layer or above the porous layer in order to protect the ceramic in the porous layer from oxidation by means of a further coating.
  • FIG. 1 a, b show a substrate with a porous layer and a ceramic in the porous layer
  • FIG. 2a shows a substrate with a porous layer, the porous layer being coated on its inner surfaces with a ceramic layer (FIG. 2b),
  • FIG. 3 shows a substrate with a porous layer which has become almost dense due to the ceramic,
  • FIG. 4 shows a further exemplary embodiment of the invention
  • FIG. 5 shows an application example of such a layer system
  • FIG. 10a, b further exemplary embodiments of the invention.
  • FIG. 1 a shows a substrate 1, for example made of metal, in particular made of a superalloy for a gas turbine blade, on which a porous layer 4 is applied.
  • the porous layer 4 can be made of metal or ceramic.
  • the porous structure is schematically represented by the lines that are intended to represent the individual walls that surround the pores in the porous layer 4.
  • the pore fraction is at least thirty (30) percent by volume.
  • an open pore structure is advantageous, ie there are connecting paths from the outer surface of the porous layer 4 to its underside, which faces the substrate 1, as z. B. is known when using filter systems.
  • a ceramic can be introduced particularly well into the porous layer.
  • FIG. 1b shows a layer system according to the invention, in which a ceramic 7 is present in the porous layer 4.
  • the ceramic 7 can consist of a single ceramic material or of a mixture of different ceramic materials, for example in the form of ceramic particles. Metallic admixtures or coatings are also possible.
  • FIG. 2a shows a further exemplary embodiment of a layer system 20 according to the invention, in which no individual ceramic particles 7 can be seen (FIG. 2a) because the pore walls 13 of the porous layer 4 are coated with a ceramic layer 16 (FIG. 2b).
  • the inner surfaces of the pores of the porous layer 4 are, for example, completely covered with a ceramic 16.
  • FIG. 3 shows a further exemplary embodiment of a layer system 20 designed according to the invention.
  • a porous layer 4 is applied to the substrate 1, the pores of which are filled with the ceramic 7, so that a dense layer is achieved.
  • FIG. 4 shows that at least one further intermediate layer 10 can be present between the substrate 1 and the porous layer 4.
  • FIG. 5 shows a further application example for a layer system 20 according to the invention.
  • the layer system 20 forms part of a gas turbine housing 23 which, for example, surrounds turbine blades 26 which are connected downstream of a burner in a gas turbine.
  • the axis of rotation of the turbine fei 26 is indicated with 29.
  • the layer system 20 according to the invention forms a seal between the gas turbine housing 23 and the turbine blade 26 and replaces the honeycomb structure described above. Further application examples can be found for gas turbine blades and heat shield elements.
  • FIGS. 6a, b show the manufacturing steps for producing a layer system 20 according to the invention.
  • the substrate 1 is connected to one another with an already prefabricated porous component 4 by a connection technique (FIG. 6b). This can be done for example by welding, diffusion welding or diffusion soldering. Other connection techniques are possible.
  • FIG. 7 shows a further method for producing a layer system 20 according to the invention.
  • a suspension 32 is applied to the substrate 1 and, for example, is converted into a porous layer 4 by treatment at a temperature T.
  • T a temperature
  • the suspension 32 contains a metal powder and an activator which gasifies during the heat treatment and foams the suspension with the metal, the metal particles then sintering together at elevated temperature, for example, and thus forming the porous layer 4, at the same time there is a good connection to the substrate 1.
  • Further production methods for the production of porous, in particular foam-like structures can be used here, e.g. the investment casting process.
  • FIG. 8 shows a further exemplary embodiment for producing a layer system 20 according to the invention. This can be done, for example, by first casting the material for the substrate 1 in a casting process and then continuously and continuously casting a metal or an alloy that is porous Have structure or a mixture of metal and ceramic, so that a porous metallic layer 4 is formed on the substrate 1, which may is densely filled with ceramics.
  • a substrate 1 and a porous layer 4 can also be formed from a blank 38 by an intermediate treatment.
  • the ceramic 7 into the porous layer 4.
  • This can be done by means of a coating device 35 (FIG. 9a), for example by plasma spraying, so that a ceramic coating 16 is produced in the porous layer 4.
  • the coating process can be continued so that not only the walls 13 of the porous layer are coated, but also the pore structure is at least partially closed in order to achieve a dense layer.
  • a ceramic suspension with ceramic particles can also be introduced, in particular injected, into the porous layer 4 through a spray nozzle 35 (FIG. 9a).
  • the carrier medium of the suspension is evaporated, so that the ceramic particles 7 remain and, after a heat treatment, bond to the metallic walls 13 of the porous layer 4.
  • the porous layer 4 can also be completely filled with the ceramic 7 only in an upper region 11 (FIG. 9b).
  • the porous layer 4 is advantageously filled with a ceramic 7, which has good mechanical properties at high temperatures and serves as a thermal barrier.
  • a ceramic 7 which has good mechanical properties at high temperatures and serves as a thermal barrier.
  • the porous layer 4 (FIG. 10 a) or over the. ceramic particles 7 or the ceramic layer 16 within the porous layer 7 (FIG. 10b) a further ceramic protective layer 41 can be applied.

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Abstract

Schichtsystem nach dem Stand der Technik, bei dem eine keramische Schicht auf einer metallischen Schicht des Schichtsystems aufgebracht ist, weisen oft eine schlechte Verbindung zwischen Metall und Keramik auf.Ein erfindungsgemäßes Schichtsystem (20) weist eine poröse Schicht (4) auf, in der zumindest teilweise eine Keramik (7) angeordnet ist, so dass die Verbindung zwischen Keramik (7) und dem Metall der porösen Schicht (4) verbessert ist.

Description

Beschreibung
Schichtsystem mit einer porösen Schicht
Die Erfindung betrifft ein Schichtsystem mit einem keramischen Anteil in der Schicht.
Schichtsysteme bestehen aus einem Substrat und zumindest einer auf dem Substrat liegenden Schicht. Substrate müssen beispielsweise im Gasturbinenbau vor zu hohen Temperaturen und/oder korrosiven Attacken geschützt werden. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass auf dem Substrat ein Blech mit einer Honigwabenstruktur aufgebracht ist, wobei die Waben mit einer Keramik gefüllt sind. Die Keramik übernimmt dabei im wesentlichen die Schutzfunktion. Das Blech der Honigwabenstruktur dient zur mechanischen Stabilisierung der Keramik. Jedoch ist die mechanische Verbindung zwischen der Keramik und den inneren Oberflächen der Honigwabenstruktur nicht gut, so dass es immer wieder zu Ablösungen der Keramik kommt.
Aus der US-PS 5,634,189 ist eine Vorrichtung bekannt, die im Inneren eine poröse Struktur aufweist, die durch Kügelchen verschiedenen Durchmessers gebildet ist, wobei dieses poröse Innere von einer äußeren dichten Hülle umgeben ist. Die äußere Hülle dient nicht zum Schutz. Das poröse Innere dient zum Auffüllen des Hohlraums, um eine gewisse mechanische Stabilität zu erreichen, wobei die Dichte des porösen Inneren jedoch geringer ist als die der Hülle, um dadurch Gewicht zu sparen.
Die US-PS 5,720,597 zeigt eine Schaufel für eine Gasturbine, die im Inneren zumindest teilweise einen schaumartigen Bereich aufweist.
Die US-PS 6,299,935 offenbart eine Methode zur Herstellung einer Schicht, bei dem auf die Oberfläche eines Substrats eine Suspension aus Schaum und einem metallischen Pulver aufgebracht wird.
Alle bekannten Vorrichtungen oder Verfahren haben jedoch den Nachteil, dass die mechanische Verbindung zwischen Metall und Keramik nicht ausreichend ist.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Schichtsystem aufzuzeigen, das die mechanische Festigkeit zwischen Metall und Keramik verbessert.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Schichtsystem gelöst, das aus einem Substrat besteht, auf dem eine poröse Schicht mit einem Porenanteil von mindestens 30 Volumenpro- zent folgt, wobei eine Keramik in Form einer Beschichtung oder als keramische Teilchen zumindest teilweise in die poröse Schicht eingebracht ist.
Gegenüber einer glattflächigen Kontaktfläche bei der Wabenstruktur mit der metallischen Oberfläche und der darauf auf- gebrachten Keramik sind hier viele kleine gekrümmte Oberflächen vorhanden, die den mechanischen Verbund zwischen Metall und Keramik durch Vergrößerung der spezifischen Oberfläche und mechanisches Verhaken verbessern.
Es ist vorteilhaft, eine offene Porenstruktur zu verwenden, weil dadurch die Eindringtiefe von Keramik in die poröse Schicht verbessert wird, so dass die Haftung der Schicht noch weiter erhöht wird.
Die Keramik, die auf die poröse Schicht aufgebracht und in diese zumindest teilweise eingebracht wird, kann auch eine Mischung aus verschiedenen keramischen Materialien bilden, um gewünschte Eigenschaften gezielt einzustellen.
Die poröse Schicht kann zumindest bereichsweise so mit Keramik ausgefüllt sein, dass sie in diesen Bereichen nahezu dicht ist, so dass eine nahezu dichte Keramikschicht in der porösen Schicht erreicht wird, um die Vorteile der Keramik bzgl. Hitzebeständigkeit auszunutzen.
Auf die Keramik in der porösen Schicht oder oberhalb der porösen Schicht kann beispielsweise eine weitere keramische Schutzschicht, wie sie bspw. von den Wärmedämmschichten von Gasturbinenschaufeln bekannt ist, aufgebracht sein, um durch eine weitere Beschichtung die Keramik in der porösen Schicht vor Oxidation zu schützen.
Ausführungsbeispiele sind in den Figuren 1 bis 7 näher erläutert.
Es zeigen Figur la, b ein Substrat mit einer porösen Schicht und einer Keramik in der porösen Schicht,
Figur 2a ein Substrat mit einer porösen Schicht, wobei die poröse Schicht an ihren inneren Oberflächen mit einer keramischen Schicht beschichtet ist (Fig. 2b) , Figur 3 ein Substrat mit einer porösen Schicht, die durch die Keramik nahezu dicht geworden ist,
Figur 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, Figur 5 ein Anwendungsbeispiel eines solchen SchichtSystems, Figur 6a, b Herstellungsschritte zur Herstellung eines erfin- dungsgemäßen SchichtSystems,
Figur 7, 8, 9a, b weitere Ausführungsbeispiele zur Herstellung eines erfindungsgemäßen SchichtSystems, und Figur 10a, b weitere Ausführungsbeispiele der Erfindung.
Figur la zeigt ein Substrat 1, beispielsweise aus Metall, insbesondere aus einer Superlegierung für eine Gasturbinenschaufel, auf dem eine poröse Schicht 4 aufgebracht ist. Die poröse Schicht 4 kann aus Metall oder Keramik sein. Die poröse Struktur ist schematisch dargestellt durch die Striche, die die einzelnen Wände darstellen sollen, die die Poren in der porösen Schicht 4 umgeben. Der Porenanteil beträgt mindestens dreissig (30) Volumenprozent. Insbesondere ist eine offene Porenstruktur von Vorteil, d.h. es bestehen Verbindungswege von der äusseren Oberfläche der porösen Schicht 4 zu seiner Unterseite, die dem Substrat 1 zugewandt ist, wie sie z. B. bei der Anwendung von Filtersystemen bekannt ist. Dabei kann eine Keramik besonders gut in die poröse Schicht eingebracht werden.
Figur lb zeigt ein erfindungsgemäßes Schichtsystem, bei dem in der porösen Schicht 4 eine Keramik 7 vorhanden ist. Die Keramik 7 kann aus einem einzigen keramischen Material oder aus einer Mischung von verschiedenen keramischen Materialien bspw. in Form von keramischen Teilchen bestehen. Metallische Beimischungen oder Beschichtungen sind ebenfalls möglich.
Figur 2a zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Schichtsystems 20, bei dem keine einzelnen keramischen Teilchen 7 zu erkennen sind (Fig. 2a) , weil die Porenwände 13 der porösen Schicht 4 mit einer keramischen Schicht 16 beschichtet sind (Fig. 2b) . So sind die Innenober- flächen der Poren der porösen Schicht 4 bspw. ganz mit einer Keramik 16 bedeckt.
Figur 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäß ausgebildeten Schichtsystems 20. Auf dem Substrat 1 ist eine poröse Schicht 4 aufgebracht, deren Poren mit der Keramik 7 aufgefüllt sind, so dass eine dichte Schicht erreicht wird.
Figur 4 zeigt, dass zwischen Substrat 1 und der porösen Schicht 4 zumindest eine weitere Zwischenschicht 10 vorhanden sein kann.
Figur 5 zeigt ein weiteres Anwendungsbeispiel für ein erfindungsgemäßes Schichtsystem 20. Das Schichtsystem 20 bildet einen Teil eines Gasturbinengehäuses 23, das beispielsweise Turbinenschaufeln 26 umgibt, die in einer Gasturbine einem Brenner nachgeschaltet sind. Die Drehachse der Turbinenschau- fei 26 ist mit 29 angezeigt. Das erfindungsgemäße SchichtSystem 20 bildet eine Dichtung zwischen Gasturbinengehäuse 23 und Turbinenschaufel 26 und ersetzt die oben beschriebene Honigwabenstruktur. Weitere Anwendungsbeispiele finden sich für Gasturbinenschaufeln und Hitzeschildelemente.
Figur 6a, b zeigt die Fertigungsschritte zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Schichtsystems 20. Das Substrat 1 wird mit einem bereits vorgefertigten porösen Bauteil 4 durch eine Verbindungstechnik miteinander verbunden (Fig. 6b) . Dies kann beispielsweise durch Schweißen, Diffusionsschweißen oder Diffusionslöten erfolgen. Weitere Verbindungstechniken sind möglich.
Figur 7 zeigt eine weitere Methode zur Herstellung eines erfindungsgemäßen SchichtSystems 20. Auf das Substrat 1 wird eine Suspension 32 aufgebracht, die sich beispielsweise durch eine Behandlung bei einer Temperatur T in eine poröse Schicht 4 umwandelt. Dies kann bekanntermassen dadurch erfolgen, dass die Suspension 32 ein Metallpulver enthält und einen Aktivator, der bei der Wärmebehandlung vergast und die Suspension mit dem Metall aufschäumt, wobei dann bei erhöhter Temperatur die Metallteilchen beispielsweise miteinander versintern und so die poröse Schicht 4 bilden, wobei gleichzeitig eine gute Anbindung an das Substrat 1 erfolgt. Weitere Herstellungsmethoden zur Herstellung von porösen, insbesondere schaumartigen Strukturen, können hier angewendet werden, wie z.B. das Feingussverfahren .
Figur 8 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Schichtsystems 20. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass in einem Gießprozess zuerst das Material für das Substrat 1 gegossen wird und dann kontinuierlich ohne Unterbrechung ein Metall oder eine Legie- rung gegossen wird, die eine poröse Struktur aufweisen oder eine Mischung aus Metall und Keramik, so dass sich auf dem Substrat 1 eine poröse metallische Schicht 4 bildet, die ggf. dicht mit Keramik ausgefüllt ist. Aus einem Rohling 38 kann sich auch durch eine Zwischenbehandlung ein Substrat 1 und eine poröse Schicht 4 ausbilden.
Um das erfindungsgemäße Schichtsystem 20 letztendlich herzustellen, ist es oft noch notwendig, die Keramik 7 in die poröse Schicht 4 einzubringen. Dies kann durch eine Beschich- tungsvorrichtung 35 (Fig. 9a) erfolgen, beispielsweise durch das Plasmaspritzen, so dass eine keramische Beschichtung 16 in der porösen Schicht 4 erzeugt wird. Das Beschichtungsver- fahren kann so fortgeführt werden, dass nicht nur die Wände 13 der porösen Schicht beschichtet werden, sondern auch noch die Porenstruktur zumindest teilweise geschlossen wird, um eine dichte Schicht zu erreichen.
Durch eine Spritzdüse 35 (Fig. 9a) kann auch eine keramische Suspension mit keramischen Partikeln in die poröse Schicht 4 eingebracht, insbesondere eingespritzt, werden. In einem weiteren Herstellungsschritt wird das Trägermittel der Suspen- sion verdampft, so dass die keramischen Partikel 7 zurückbleiben und sich nach einer Wärmebehandlung mit den metallischen Wänden 13 der porösen Schicht 4 verbinden.
Die poröse Schicht 4 kann auch nur in einem oberen Bereich 11 die Poren vollständig mit der Keramik 7 ausgefüllt sein (Fig. 9b) .
Die poröse Schicht 4 ist vorteilhafterweise mit einer Keramik 7 aufgefüllt, die gute mechanische Eigenschaften bei hohen Temperaturen aufweist und als thermische Barriere dient. Um jedoch diese Keramik und auch die metallischen Wände der porösen Schicht 4 vor Oxidation und/oder Korrosion und/oder Wärme zu schützen, kann auf die poröse Schicht 4 (Fig. 10a) oder über den . eramischen Teilchen 7 oder der keramischen Schicht 16 innerhalb der porösen Schicht 7 (Fig. 10b) noch eine weitere keramische Schutzschicht 41 aufgebracht werden.

Claims

Patentansprüche / Patent Claims
1. Schichtsystem (20), bestehend aus einem Substrat (1) , einer äusseren porösen Schicht (4) mit einem Porenanteil von mindestens 30 Volumenprozent, die auf dem Substrat (1) angeordnet ist, und einer Keramik (7, 16), wobei die poröse Schicht (4) zumindest bereichsweise nahezu ganz ausgefüllt ist mit der Keramik (7) .
2. Schichtsystem nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass
die poröse Schicht (4) eine offene Porenstruktur aufweist .
3. SchichtSystem nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass
die Keramik (7) eine Mischung aus verschiedenen keramischen Materialien ist.
4. SchichtSystem nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass
auf der Keramik (7) in der porösen Schicht (4) eine weitere keramische Schicht (41) aufgebracht ist.
5. SchichtSystem nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass
die poröse Schicht (4) schaumartig ist,
6. SchichtSystem nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass
das Substrat (1) metallisch ist, insbesondere eine Cobalt/Nickelsuperlegierung.
7. Schicht System nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass
die poröse Schicht (4) aus Metall ist.
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