WO2005083155A1 - Schichtsystem - Google Patents

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Definitions

  • the invention relates to a layer system for metallic components, in particular for components of a gas turbine such as an aircraft engine, according to the preamble of claim 1. Furthermore, the invention relates to a component with such a layer system.
  • DE 100 08 861 AI shows a thermal barrier coating system for a metallic component, the thermal barrier coating system consisting of two layers, namely an inner contact layer and an outer cover layer.
  • the inner contact layer is located between an adhesive layer and the outer cover layer, the adhesive layer being applied to the component.
  • the inner contact layer of the thermal barrier coating system consists entirely or predominantly of zirconium oxide partially stabilized with Y 2 0 3 or of a glass-metal composite material
  • the outer cover layer consists of fully stabilized, cubic zirconium oxide.
  • the present invention is based on the problem of creating a new type of layer system for metallic components, in particular for components of a gas turbine such as an aircraft engine.
  • the adhesion-promoting layer is designed as an MCrAlY layer, M being selected from the elements iron, nickel, cobalt or mixtures thereof;
  • the thermal barrier layer is formed according to the invention from a material which consists of at least one component with at least one phase which is stoichiometric 1 to 80 mol% Mx 2 0 3 , 0.5 to 80 mol% MyO and the remainder Al 2 0 3 random impurities, where Mx is selected from the elements lanthanum and neodymium or mixtures thereof, and where My from the alkaline earth metals, the transition metals and rare earths or mixtures thereof, preferably from magnesium, zinc, cobalt, manganese, iron, nickel, chromium , Europium, Samarium or mixtures thereof.
  • the single-layer thermal insulation layer which is preferably formed from lanthanum hexaaluminate, is applied directly to the adhesion-promoting layer, where when the adhesive layer is applied directly to the metallic component.
  • an additional intermediate layer of yttrium-partially stabilized zirconium oxide can also be applied between the adhesion-promoting layer and the thermal insulation layer.
  • Fig. 1 is a highly schematic view of a layer system according to the invention for gas turbine components.
  • FIG. 1 shows a highly schematic representation of a metallic component 10 of a gas turbine, an adhesion-promoting layer 12 being applied to a surface 11 of the component 10.
  • a thermal insulation layer 13 is applied to the adhesion-promoting layer 12, the thermal insulation layer 13 being formed in one layer.
  • the adhesion-promoting layer 12 applied to the surface 11 of the metallic component 10 is metallic and is designed as an MCrAlY layer. M is selected from the elements iron, nickel, cobalt or mixtures thereof.
  • the adhesive layer 12 is applied directly to the metallic component 10 and increases the adhesion of the thermal barrier coating 13 to the metallic component 10.
  • the adhesive layer 12 made of the MCrAlY material is preferably applied to the metallic component 10 by thermal spraying such as high-speed flame spraying.
  • the thermal barrier coating 13 is formed from a material which consists of at least one component with at least one phase which is stoichiometric 1 to 80 mol% Mx 2 0 3 , 0.5 to 80 mol% MyO and the remainder A1 2 0 3 with random impurities, where Mx is selected from the elements lanthanum and neodymium or mixtures thereof, and where My is selected from the alkaline earth metals, the transition metals and the rare earths or mixtures thereof, preferably from magnesium, zinc, cobalt, manganese, iron, nickel , Chromium, europium, samarium or mixtures thereof.
  • the heat insulation layer 13 is preferably formed from lanthanum hexaaluminate.
  • the lanthanum hexaaluminate is preferably stabilized with magnesium or manganese.
  • the heat insulation layer 13 made of lanthanum hexaaluminate is preferably applied to the component 10 by a PVD (Physical Vapor Deposition) process or by a slip process.
  • An electron beam (EB) PVD process is particularly suitable as the PVD process.
  • the adhesive layer is preferably applied by high speed flame spraying (HVOF).
  • An optional intermediate layer is preferably applied by a slip process or a PVD process.
  • a layer system which comprises two layers, namely an adhesion promoter layer 12 made of an MCrAlY material and a heat insulation layer 13 made of lanthanum hexaaluminate, which can additionally be expanded by an intermediate layer made of yttrium-partially stabilized zirconium oxide.
  • a layer system of this type provides a particularly preferred layer system which, on the one hand, has an optimized adhesion of the thermal insulation layer 13 to the component 10 and, on the other hand, has an optimized thermal shock resistance.
  • the three-layer structure of the overall system consisting of metallic component 10, metallic adhesive layer 12 and heat insulation layer 13 made of lanthanum hexaaluminate ensures a simple and inexpensive to manufacture structure.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Schichtsystem für metallische Bauteile, insbe­sondere für Bauteile einer Gasturbine wie eines Flugtriebwerks. Das Schichtsystem umfasst eine Wärmedämmschicht (13), die unter Zwischen­anordnung einer Haftvermittlungsschicht (12) auf eine Oberfläche (11) ei­nes Bauteils (10) aufgebracht ist. Erfindungsgemäss ist die Haftvermittlungsschicht (12) als MCrAlY-Schicht ausgebildet, wobei M aus den Elementen Eisen, Nickel, Kobalt oder Mi­schungen hiervon ausgewählt ist; die Wärmedämmschicht (13) ist aus einem Material gebildet, welches aus mindestens einer Komponente mit mindestens einer Phase besteht, die stöchiometrisch 1 bis 80 Mol-% Mx203, 0,5 bis 80 Mol-% MyO und als Rest A1203 mit zufälligen Verunreinigungen aufweist, wobei Mx aus den Elementen Lanthan und Neodym oder Mischungen hiervon ausgewählt ist, und wobei My aus den Erdalkalimetallen, den übergangsme­tallen und den seltenen Erden oder Mischungen hiervon, vorzugsweise aus Magnesium, Zink, Kobalt, Mangan, Eisen, Nickel, Chrom, Europium, Samarium oder Mischungen hiervon, ausgewählt ist.

Description

SchichtSystem
Die Erfindung betrifft ein Schichtsystem für metallische Bauteile, insbesondere für Bauteile einer Gasturbine wie eines Flugtriebwerks, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Des weiteren betrifft die Erfindung ein Bauteil mit einem solchen Schichtsystem.
Zum Schutz vor hohen Temperaturen und vor Heißgaskorrosion werden metallische Bauteile einer Gasturbine mit Wärmedämmschichten versehen. So zeigt zum Beispiel die DE 100 08 861 AI ein Wärmdämmschichtsystem für ein metallisches Bauteil, wobei das Wärmedämmschichtsystem aus zwei Schichten besteht, nämlich aus einer inneren Kontaktschicht und einer äußeren Deckschicht. Die innere Kontaktschicht befindet sich zwischen einer Haftvermittlungsschicht und der äußeren Deckschicht, wobei die Haftvermittlungsschicht auf dem Bauteil aufgebracht ist. Nach der DE 100 08 861 AI besteht die innere Kontaktschicht des Wärmedämmschichtsystems ganz oder ü- berwiegend aus mit Y203 teilstabilisiertem Zirkonoxid oder aus einem Glas-Metall-Kompositwerkstoff, die äußere Deckschicht besteht aus vollstabilisiertem, kubischem Zirkonoxid.
Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung das Problem zu Grunde, ein neuartiges Schichtsystem für metallische Bauteile, insbesondere für Bauteile einer Gasturbine wie eines Flugtriebwerks, zu schaffen.
Dieses Problem wird durch ein Schichtsystem gemäß Patentanspruch 1 gelöst .
Erfindungsgemäß ist die Haftvermittlungsschicht als MCrAlY-Schicht ausgebildet, wobei M aus den Elementen Eisen, Nickel, Kobalt oder Mischungen hiervon ausgewählt ist; die Wärmedämmschicht ist erfindungsgemäß aus einem Material gebildet, welches aus mindestens einer Komponente mit mindestens einer Phase besteht, die stöchiometrisch 1 bis 80 Mol-% Mx203, 0,5 bis 80 Mol-% MyO und als Rest Al203 mit zufälligen Verunreinigungen aufweist, wobei Mx aus den Elementen Lanthan und Neodym oder Mischungen hiervon ausgewählt ist, und wobei My aus den Erdalkalimetallen, den Übergangsmetallen und den seltenen Erden oder Mischungen hiervon, vorzugsweise aus Magnesium, Zink, Kobalt, Mangan, Eisen, Nickel, Chrom, Europium, Samarium oder Mischungen hiervon, ausgewählt ist.
Die vorzugsweise aus Lanthanhexaaluminat gebildete, einlagige Wärmedämm- schicht ist unmittelbar auf die Haftvermittlungsschicht aufgebracht, wo- bei die Haftvermittlungsschicht unmittelbar auf das metallische Bauteil aufgebracht ist. Alternativ hierzu kann zwischen der Haftvermittlungsschicht und der Wärmedämmschicht auch eine zusätzliche Zwischenschicht aus yttrium-teilstabilisiertem Zirkonoxid aufgebracht sein.
Das erfindungsgemäße Bauteil mit einem solchen Schichtsystem ist in Patentanspruch 8 definiert.
Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird, ohne hierauf beschränkt zu sein, an Hand der Zeichnung näher erläutert . Dabei zeigt :
Fig. 1 eine stark schematisierte Ansicht eines erfindungsgemäßen Schichtsystems für Gasturbinenbauteile.
Fig. 1 zeigt stark schematisiert ein metallisches Bauteil 10 einer Gasturbine, wobei auf eine Oberfläche 11 des Bauteils 10 eine Haftvermittlungsschicht 12 aufgebracht ist. Auf die Haftvermittlungsschicht 12 ist eine Wärmedämmschicht 13 aufgebracht, wobei die Wärmedämmschicht 13 einlagig ausgebildet ist.
Die auf die Oberfläche 11 des metallischen Bauteils 10 aufgebrachte Haft- vermittlungsschicht 12 ist metallisch ausgebildet und als MCrAlY-Schicht ausgebildet. M ist aus den Elementen Eisen, Nickel, Kobalt oder Mischungen hiervon ausgewählt. Die Haftvermittlungsschicht 12 ist unmittelbar auf das metallische Bauteil 10 aufgebracht und erhöht die Haftung der Wärmedämmschicht 13 auf dem metallischen Bauteil 10.
Die Haftvermittlungsschicht 12 aus dem MCrAlY-Werkstoff wird vorzugsweise durch thermischen Spritzen wie Hochgeschwindigkeitsflammspritzen auf das metallische Bauteil 10 aufgetragen.
Die Wärmedämmschicht 13 ist aus einem Material gebildet, welches aus mindestens einer Komponente mit mindestens einer Phase besteht, die stöchio- metrisch 1 bis 80 Mol-% Mx203, 0,5 bis 80 Mol-% MyO und als Rest A1203 mit zufälligen Verunreinigungen aufweist, wobei Mx aus den Elementen Lanthan und Neodym oder Mischungen hiervon ausgewählt ist, und wobei My aus den Erdalkalimetallen, den Übergangsmetallen und den seltenen Erden oder Mischungen hiervon, vorzugsweise aus Magnesium, Zink, Kobalt, Mangan, Eisen, Nickel, Chrom, Europium, Samarium oder Mischungen hiervon, ausgewählt ist. Die Wärmedämmschicht 13 ist vorzugsweise aus Lanthanhexaaluminat gebildet. Das Lanthanhexaaluminiat ist dabei vorzugsweise mit Magnesium oder auch Mangan stabilisiert.
Die Wärmedämmschicht 13 aus Lanthanhexaaluminat wird vorzugsweise durch einen PVD (Physical Vapor Deposition) -Prozess oder durch ein Schlickerverfahren auf das Bauteil 10 aufgebracht. Als PVD-Prozess eignet sich insbesondere ein Elektronenstrahl (EB) PVD-Prozess. Die Haftvermittlungsschicht wird vorzugsweise durch Hochgeschwindigkeitsflammspritzen (HVOF) aufgebracht. Eine optionale Zwischenschicht wird bevorzugt durch ein Schlickerverfahren oder einen PVD-Prozess aufgebracht.
Im Sinne der hier vorliegenden Erfindung wird demnach ein Schichtsystem vorgeschlagen, welches zwei Schichten umfasst, nämlich eine Haftvermittlungsschicht 12 aus einem MCrAlY-Werkstoff und eine Wärmedämmschicht 13 aus Lanthanhexaaluminat, welches zusätzlich noch durch eine Zwischenschicht aus yttrium-teilstabilisiertem Zirkonoxid erweitert werden kann.
Ein derartiges Schichtsystem stellt ein besonders bevorzugtes Schichtsystem bereit, welches einerseits eine optimierte Haftung der Wärmedämmschicht 13 auf dem Bauteil 10 und andererseits eine optimierte Thermo- wechselbeständigkeit aufweist.
Durch den dreischichtigen Aufbau des Gesamtsystems aus metallischem Bauteil 10, metallischer Haftvermittlungsschicht 12 und Wärmedämmschicht 13 aus Lanthanhexaaluminat wird ein einfacher und kostengünstig herstellbarer Aufbau gewährleistet.

Claims

Patentansprüche
1. Schichtsystem für metallische Bauteile, insbesondere für Bauteile einer Gasturbine wie eines Flugtriebwerks, mit einer Wärmedämmschicht (13) , die unter Zwischenanordnung einer Haftvermittlungs- schicht (12) auf eine Oberfläche (11) eines Bauteils (10) aufgebracht ist, dadurch gekennzeichnet, a) dass die Haftvermittlungsschicht (12) als MCrAlY-Schicht ausgebildet ist, wobei M aus den Elementen Eisen, Nickel, Kobalt oder Mischungen hiervon ausgewählt ist, b) dass die Wärmedämmschicht (13) aus einem Material gebildet ist, welches aus mindestens einer Komponente mit mindestens einer Phase besteht, die stöchio etrisch 1 bis 80 Mol-% Mx203, 0,5 bis 80 Mol-% MyO und als Rest A1203 mit zufälligen Verunreinigungen aufweist, wobei Mx aus den Elementen Lanthan und Neodym oder Mischungen hiervon ausgewählt ist, und wobei My aus den Erdalkalimetallen, den Übergangsmetallen und den seltenen Erden oder Mischungen hiervon, vorzugsweise aus Magnesium, Zink, Kobalt, Mangan, Eisen, Nickel, Chrom, Europium, Samarium oder Mischungen hiervon, ausgewählt ist.
2. Schichtsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der Wärmedämmschicht (13) Mx203 als La203 und MyO als MgO ausgeführt ist, wobei die Phase eine Hexaaluminatphase der Magne- toplumbit-Struktur ist.
3. Schichtsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmedämmschicht (13) aus Lanthanhexaaluminat gebildet ist.
4. Schichtsystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass die als MCrAlY-Schicht ausgebildete Haftvermittlungsschicht (12) unmittelbar auf das Bauteil (10) aufgebracht ist, und dass die aus Lanthanhexaaluminat gebildete Wärmedämmschicht (13) unmittelbar auf die Haftvermittlungsschicht (12) aufgebracht ist.
5. Wärmedämmschichtsystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, dass die als MCrAlY-Schicht ausgebildete Haftvermittlungsschicht (12) durch thermisches Spritzen, insbesondere durch Hochgeschwindig- keitsflammspritzen, unmittelbar auf das Bauteil (10) aufgebracht ist .
6. Wärmedämmschichtsystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, dass die aus Lanthanhexaaluminat gebildete Wärmedämmschicht (13) durch Gasphasenabscheidung, insbesondere durch einen Elekto- nenstrahl-PVD-Prozess, oder als Schlickerschicht unmittelbar auf die Haftschicht (12) aufgebracht ist.
7. Wärmedämmschichtsystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (10) metallisch ausgebildet ist.
8. Bauteil, insbesondere Bauteil einer Gasturbine wie eines Flugtriebwerks, mit einer auf einer metallischen Bauteiloberfläche aufgebrachten Haftvermittlungsschicht (12) und einer auf die Haftvermittlungsschicht (12) aufgebrachten Wärmedämmschicht (13), dadurch gekennzeichnet, dass die Haftvermittlungsschicht (12) und die Wärmedämmschicht (13) nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7 ausgebildet sind.
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WO2007143973A3 (de) * 2006-06-16 2008-04-10 Mtu Aero Engines Gmbh Wärmedämmschicht
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