WO2009097834A1 - Wärmedämmschichtsystem sowie verfahren zu seiner herstellung - Google Patents

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WO2009097834A1
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Alexandra Stuke
Holger Kassner
Robert Vassen
Detlef STÖVER
Josè-Luis MARQUÈS-LOPEZ
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Forschungszentrum Jülich GmbH
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    • Y10T428/249981—Plural void-containing components

Definitions

  • the invention relates to a layer system, in particular for use as a thermal barrier coating and a method for producing such a layer system.
  • Ceramic thermal barrier coatings are used effectively in gas turbines, where they work smoothly for more than 25,000 operating hours, mainly due to their structural stability and thus the reliability of the thermal barrier coating under the typical operating conditions of gas turbines. Premature failure of the thermal barrier coating would overheat the base material (the component to be protected) and possibly lead to turbine damage. The resulting downtime and repair costs can be significant and potentially remove the technological benefits of the thermal barrier coating.
  • the turbine inlet temperature of about 1230 0 C to about 1350 0 C is necessary.
  • This goal can be achieved by using ceramic thermal barrier coatings in addition to the use of improved base materials and effective cooling methods.
  • the permissible surface temperature can be increased by a few 100 K by the thermal insulating effect of the ceramic thermal barrier layer while maintaining the same cooling conditions depending on the thickness of the thermal barrier coating.
  • the greater thermal load often leads to a shortened life of the thermal layer system.
  • the thermal insulation effect of the thermal barrier coatings used is usually based on the formation of a temperature gradient over the poor heat conductive thermal barrier coating. Characteristic variables are the heat flow flowing over the thermal barrier coating and the temperature of the component protected by the thermal barrier coating. In practice, the increase in efficiency and the increase in component reliability are trying to achieve by increasing the thickness of the thermal barrier coating and by reducing the thermal conductivity of the materials of the thermal barrier coating. However, since the maximum layer thickness of the thermal barrier coating is limited by the increasing risk of premature failure of the thermal barrier coating due to flaking and process-technological reasons, this approach is limited.
  • thermal conductivity of thermal barrier coatings can be achieved by using ceramic materials with a correspondingly small intrinsic
  • Thermal conductivity can be reliably achieved.
  • thermal barrier coatings in the form of duplex structures are used.
  • the first layer consists of a metallic layer, which has the task of protecting the underlying substrate (component) from corrosion and oxidation.
  • this layer usually serves as a primer layer for the actual thermal barrier coating, as the second layer of the duplex structure.
  • This second layer which performs the actual function of thermal insulation, is often a ceramic layer.
  • These typically consist of yttria-stabilized zirconia (YSZ) or other oxide ceramics.
  • YSZ yttria-stabilized zirconia
  • Newer thermal barrier coating systems sometimes also have multilayer coating systems of various ceramics.
  • SPS suspension plasma spraying
  • a suspension with small particles is introduced radially into the plasma arc. It has been found that by using particles that are 1 to 3 orders of magnitude smaller than those used in the conventional APS, significantly thinner coatings ( ⁇ 50 ⁇ m) are achieved in the SPS.
  • the introduction of the suspension in the arc takes place via a spray nozzle with a pressurized gas, eg. As compressed air, nitrogen or argon. But it is also possible to introduce the suspension directly via a suitable injector in the plasma free jet.
  • the suspension is atomized into very fine droplets.
  • suspension solution evaporates abruptly and the small solid particles are aggregated into partially or completely molten droplets, accelerated and impacted on the substrate in order to form a layer there.
  • the suspension plasma spraying can be used for coatings of both ceramic and metallic materials, wherein in each case very fine, dense spherical particles are used.
  • thermal barrier coatings are determined by the thermal conductivity of the material of the thermal barrier coating and by the layer thickness. Under the insulating effect of thermal barrier coatings is understood here the temperature drop across the thermal barrier coating. The layer thickness is limited due to mechanical properties to be fulfilled and can not be made arbitrarily large. These two parameters represent a principal barrier for all thermal barrier coating systems.
  • the invention has for its object to provide a thermal barrier coating system available, which has a comparatively or even improved mechanical stability and thus lifetime even at high thermal stress, as known in the prior art. Furthermore, it is the object to provide a method for producing such a heat-insulating layer system.
  • the basis of the invention is the combination of the processes APS and SPS in the production of a thermal barrier coating system to produce layers with different microstructures and properties.
  • thermal barrier coatings with defined, mechanical and physical properties, in particular with regard to thermal conductivity, transparency, absorption or reflection, can be generated, which can not be achieved by the hitherto usual, respectively single-layer system.
  • the thermal barrier coating system according to the invention thus comprises at least one layer which has been produced by means of the SPS and at least one further layer which has been produced with the aid of the APS.
  • the suspension plasma spraying process (SPS) allows the direct processing of nanoparticles. Due to the process and caused by the significantly reduced particle size layers can be produced, which have other microstructures and improved physical and optical properties.
  • the PLC process enables the production of a layer with a significantly higher porosity and microcracking density in relation to the APS.
  • the scattering of the thermal radiation is increased, as a result of which optical properties, such as reflectivity, can also be improved in the near infrared wavelength range.
  • the increased porosity reduced thermal conductivity occurs. Both have the consequence that the thermal load of the substrate material is significantly reduced by heat radiation and heat conduction.
  • highly porous, thick SPS layers show lower mechanical stability than comparable thick APS layers. This may result in limited applicability to heavily loaded components, reduced life, and reduced erosion stability of the WDS system.
  • the cost of a PLC layer is significantly more expensive than comparable APS layers due to lower process efficiencies and increased material costs.
  • the APS layer can be used in particular as a mechanically and erosively stable layer and the SPS layer in particular for improving the reflectivity and reducing the thermal conductivity.
  • the advantages of the individual layers can be optimally combined, thus enabling applications that can not be fulfilled by the single-layer systems.
  • the particularly advantageous effect of the thermal barrier coating according to the invention lies in the increase of the reflectivity and reduction of the thermal conductivity of the ceramic cover layer.
  • Suitable materials for this thermal barrier coating system may basically be oxide ceramics such as variants of stabilized ZrO 2 (eg partially stabilized YSZ). YSZ), alumina, aluminates (eg garnets), pyrochlors and perovskites.
  • the transition between the individual layer systems can take place, for example, both separately and gradually.
  • the double layers with a SPS layer in the upper region usually have a higher reflectivity than a pure APS layer.
  • the layer thicknesses have an influence on the reflectivity, i. H. the thicker the layer, the more volume there is that can reflect the light. However, it is to be assumed that saturation is achieved above a certain layer thickness.
  • FIG. 1 schematic thermal barrier coating systems a) double layer system with high reflectivity and porosity on the surface b) double layer system with erosion layer c) three-layer system with high reflectivity and porosity.
  • thermal barrier coating according to the invention 0.3 to 2.5 microns for a thermal barrier coating according to the invention and a conventional thermal barrier coating (APS only).
  • Erosion control layer and a conventional thermal barrier coating (APS only).
  • FIG. 1 schematically shows the structure of thermal insulation layer systems according to the invention from a combination of at least one layer which has been produced by an APS process (APS layer) and at least one further layer which has been produced by a PLC process (SPS layer). , Shown is the structure from bottom to top, as he would result on a component (not shown) to the surface.
  • APS layer an APS process
  • SPS layer PLC process
  • the solids content of the powder in the suspension was 10% by weight (Example 1) and 20% by weight (Example 2).
  • the suspension pressure was 2 bar and was operated at an air pressure of 0.5 bar.
  • the layer thickness of the SPS layer was varied between 60 and 150 ⁇ m.
  • the thermal conductivity of this layer was only 0.58 W / mK, the layer having a porosity of about 29%.
  • the powder is characterized by spherical and predominantly high particles.
  • the spray distance was 150mm.
  • the power of the burner (Triplex II) was 57kW. He was also used in the PLC process.
  • the APS layer shows only a porosity of 9% and has a thermal conductivity of about 1.1 W / mK.
  • the total layer thickness of the aforementioned double layers was about 330 to 360 .mu.m, that of the APS layer produced for comparison purposes about 380 mm.
  • the total layer thickness of the aforementioned three-layer system was about 340 microns, as well as those of the prepared for comparison purposes APS layer.
  • FIG. 2 shows the course of the reflection in% over the wavelength for a conventional APS layer and two double layers of APS + SPS layer designed according to the invention, wherein these differ in the different layer thickness of the SPS layer.
  • FIG. 3 shows a conventional APS layer and an embodiment according to the invention as a three-layer layer system.
  • the invention shows Layer system a significant improvement in the reflection over the investigated wavelength range. The improvement occurs in particular at wavelengths above 0.5 ⁇ m and achieves at least an increase in the reflection of 5% points.
  • the increased scattering of the radiation within the SPS layer increases the reflectivity of the entire layer system.
  • the backscatter is significantly higher for the SPS layers than for pure APS layers. This also has an advantageous effect on the triple layer system, in which the uppermost layer is an APS layer.
  • FIGS. 4a to 4c Shown in FIGS. 4a to 4c are photographs of the layer systems according to the invention.
  • the microstructures in the transverse section of the two double layers are shown in FIGS. 4a and 4b.
  • the layer thickness of the SPS layer is 60 or 150 ⁇ m and for the APS layer 270 or 200 ⁇ m.
  • the SPS layer is interspersed with significantly finer pores and cracks are visible, which in particular pass vertically through the layer. Within the APS layer significantly coarser pores are represented.
  • the microstructure in the transverse section of the three-layer system is shown in FIG. 4c.
  • the SPS layer is characterized by a high porosity, especially finer pores, and an intensive crack network. Especially the vertical cracks appear.
  • the layer thicknesses are 30 ⁇ m for the erosion layer, 170 ⁇ m for the SPS layer and about 160 ⁇ m for the lower APS layer.
  • the increased reflectivity of the layer in particular in the visible (VIS) and in the near infrared (NIR) wavelength range, advantageously causes a lower thermal load of the substrate material, since due to the higher reflectivity only a smaller amount of thermal radiation penetrates through the ceramic thermal barrier coating and thus only leads to a lower heating of the substrate (component).
  • VIS visible
  • NIR near infrared

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Abstract

Die Erfindung offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines Schichtsystem auf einem Bauteil, bei dem auf das Bauteil wenigstens eine Schicht mit Hilfe des atmosphärischen Plasmaspritzens (APS) sowie wenigstens eine weitere Schicht mit Hilfe des Suspensions-Plasmaspritzens (SPS) abgeschieden werden. Vorteilhaft werden insbesondere die Schichten in der Reihenfolge APS + SPS oder APS + SPS + APS oder auch APS + SPS + Erosionsschicht abgeschieden. Diese so aufgebrachten Schichtenfolgen weisen regelmäßig den Effekt auf, dass eine erste, poröse Schicht sowie eine darauf angeordnete, zweite poröse Schicht vorliegt, wobei die Porosität der zweiten Schicht größer als die der ersten Schicht ist, und wobei die Reflektivität größer als die der ersten Schicht ist. Die erhöhte Reflektivität der Schicht, insbesondere im Sichtbaren (VIS) und im Nahen Infraroten (NIR) Wellenlängenbereich, bewirkt vorteilhaft eine geringere thermische Belastung des Substratwerkstoffes, da nur ein geringerer Anteil an thermischer Strahlung durch die keramische Wärmedämmschicht dringt und somit auch nur zu einer geringeren Aufheizung des Substrates (Bauteils) führt.

Description

B e s c h r e i b u n g Wärmedämmschichtsystem sowie Verfahren zu seiner Herstellung
Die Erfindung betrifft ein Schichtsystem, insbesondere für die Anwendung als Wärmedämmschicht sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Schichtsystems.
Stand der Technik
Keramische Wärmedämmschichten werden effektiv in Gasturbinen eingesetzt, wo sie vor allem aufgrund ihrer strukturellen Stabilität und damit Zuverlässigkeit der Wärmedämmschicht unter den typischen Einsatzbedingungen der Gasturbinen über mehr als 25.000 Be- triebsstunden problemlos arbeiten. Ein vorzeitiges Versagen der Wärmedämmschicht würde zur Überhitzung des Grundwerkstoffs (des zu schützenden Bauteils) und möglicherweise zu einem Turbinenschaden führen. Den dadurch verursachten Betriebsausfall- und die Instandsetzungskosten können erheblich sein und den technologischen Nutzen der Wärmedämmschicht unter Umständen aufheben.
Zur Effizienzsteigerung von Gasturbinen ist eine Erhöhung der Turbinen-Eintrittstemperatur von ca. 1230 0C auf ca. 1350 0C notwendig. Erreicht werden kann dieses Ziel unter Einsatz von keramischen Wärmedämmschichten neben der Verwendung verbesserter Grundwerkstoffe und effektiver Kühlungsmethoden. Dabei kann durch die thermisch isolierende Wirkung der keramischen Wärmedämmschicht unter Beibehaltung gleicher Kühlungsbedingungen je nach Dicke der Wärmedämmschicht die zulässige Oberflächentemperatur um einige 100 K gesteigert werden. Die größere thermische Belastung führt aber häufig zu einer verkürzten Lebensdauer des Wärmeschichtsystems.
Die thermische Isolations Wirkung der eingesetzten Wärmedämmschichten beruht in der Regel auf der Ausbildung eines Temperaturgradienten über die schlecht Wärme leitende Wärmedämmschicht. Charakteristische Größen sind dabei der über die Wärmedämmschicht fließende Wärmestrom und die Temperatur des von der Wärmedämmschicht geschützten Bauteils. In der Praxis werden die Effizienzsteigerung und die Erhöhung der Bauteil-Zuverlässigkeit durch eine Vergrößerung der Dicke der Wärmedämmschicht und durch eine Reduktion der Wärmeleitfähigkeit der Materialien der Wärmedämmschicht zu erreichen versucht. Nachdem die maximale Schichtdicke der Wärmedämmschicht aber durch die mit der Dicke zunehmen- de Gefahr des vorzeitigen Versagens der Wärmedämmschicht aufgrund von Abplatzungen und durch prozess-technologische Gründe begrenzt ist, ist dieser Weg nur beschränkt gangbar.
Eine erhebliche Reduzierung der Wärmeleitfähigkeit von Wärmedämmschichten kann jedoch durch Verwendung von Keramikmaterialien mit einer entsprechend kleinen intrinsischen
Wärmeleitfähigkeit zuverlässig erreicht werden. Standardmäßig werden Wärmedämmschichten in Form von Duplexstrukturen verwendet. Hierbei besteht die erste Lage aus einer metallischen Schicht, welche die Aufgabe hat, das darunter liegende Substrat (Bauteil) vor Korrosion und Oxidation zu schützen. Ebenso dient diese Schicht in der Regel als Haftvermittlerschicht für die eigentliche Wärmedämmschicht, als zweite Schicht der Duplexstruktur. Diese zweite Schicht, welche die eigentliche Funktion der Wärmedämmung übernimmt, ist häufig eine keramische Schicht. Diese bestehen typischerweise aus Yttrium-stabilisiertem Zirkoniumoxid (YSZ) oder anderen Oxidkeramiken. Neuere Wärmedämmschichtsysteme weisen zum Teil auch mehrlagige Schichtsysteme aus verschiedenen Keramiken auf.
Mit Ziel der Herstellung dünner funktionaler Schichten sind auf dem Gebiet des Plasmaspritzens in den letzten Jahren verschiedene Verfahrensvarianten entwickelt worden. Sie unterscheiden sich vor allem durch die Umgebungsbedingungen, beispielsweise in Atmosphäre oder im Vakuum. Sie wurden zum Teil für bestimmte Anwendungen oder besondere Spritz- Werkstoffe entwickelt. Neben den etablierten Verfahren zur Herstellung von Wärmedämmschichten, wie PVD (Physical Vapour Deposition, physikalische Gasphasenabscheidung) sowie verschiedenen thermischen Spritzprozessen APS (Atmospherical Plasma Spray, atmosphärisches Plasmaspritzen), VPS (Vakuum Plasma Spray, Vakuum Piasamspritzen) und HVOF (High Velocity Oxygen Fuel, High Valueed Oxigen Fläming, Hochgeschwindigkeits- flammspritzen), bieten sich für die Herstellung auch CVD (Chemical Vapour Deposition, chemische Gasphasenabscheidung) und CVI (Chemical Vapour Infiltration, chemische Gas- phaseninfiltration) an. Schichten, die mit Hilfe des atmosphärischen Plasmaspritzens (APS) hergestellt werden, benötigen hierfür regelmäßig Pulver, die fließfähig sind.
Eine der neueren Entwicklungen ist das Suspensionsplasmaspritzen (SPS), bei dem eine Suspension mit kleinen Partikeln radial in den Plasmabogen eingeleitet wird. Es hat sich gezeigt, dass durch Verwendung von Partikeln, die 1 bis 3 Größenordnungen kleiner als die sind, die in der herkömmlichen APS verwendet werden, bei der SPS signifikant dünnere Beschichtungen (< 50 μm) erreicht werden. Die Einleitung der Suspension in den Lichtbogen erfolgt dabei über eine Zerstäuberdüse mit einem unter Druck gesetzten Gas, z. B. Druckluft, Stickstoff oder Argon. Es ist aber auch möglich, die Suspension direkt über einen geeigneten Injektor in den Plasmafreistrahl einzubringen. Die Suspension wird dabei in feinste Tröpfchen zerstäubt. Durch die Plasmaentladung kommt es schlagartig zur Verdunstung der Suspensionslösung und die kleinen festen Partikel werden in teilweise oder ganz geschmolzene Tropfen zusammengeballt, beschleunigt und prallen auf das Substrat, um dort eine Schicht auszu- bilden. Das Suspensionsplasmaspritzen kann für Beschichtungen sowohl aus keramischen, als auch aus metallischen Materialien eingesetzt werden, wobei jeweils sehr feine, dichte sphärische Partikel eingesetzt werden.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die maximal erreichbare Isolationswirkung von Wärmedämmschichten durch die Wärmeleitfähigkeit des Materials der Wärmedämmschicht und durch die Schichtdicke bestimmt wird. Unter der Isolationswirkung von Wärmedämmschichten wird hierbei der Temperaturabfall über der Wärmedämmschicht verstanden. Die Schichtdicke ist aufgrund zu erfüllender mechanischer Eigenschaften begrenzt und kann nicht beliebig groß gemacht werden. Diese beiden Parameter stellen eine prinzipielle Barriere für alle Wärmedämmschicht-Systeme dar.
Aufgabe und Lösung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Wärmedämmschichtsystem zur Verfügung zu stellen, welches auch bei hoher thermischer Belastung eine vergleichsweise oder sogar verbesserte mechanische Stabilität und damit Lebensdauer aufweist, als nach dem Stand der Technik bekannt ist. Ferner ist es die Aufgabe, ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Wärmedärnmschicht- systems bereit zu stellen.
Die Aufgaben der Erfindung werden gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines Wär- medämmschichtsystems gemäß Hauptanspruch sowie ein Wärmedämmschichtsystem gemäß Nebenanspruch. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sowie des Systems ergeben sich aus den jeweils rückbezogenen Ansprüchen.
Gegenstand der Erfindung
Im Rahmen der Erfindung wurde gefunden, dass sich durch die prozessbedingten Einschränkungen beim Einsatz des APS Verfahrens zur Herstellung einer Wärmedämmschicht im Hinblick auf das zu verwendete Pulver bezüglich der Partikelgröße der Oxidkeramiken, auch Einschränkungen bezüglich der Mikrostruktur und den daraus resultierenden physikalischen Eigenschaften, wie beispielsweise die Wärmeleitfähigkeit oder optischen Eigenschaften
(Transmission, Absorption, Reflektion), ergeben. Es wurde festgestellt, dass das standardmäßig verwendete Material YSZ5 wie auch viele andere Oxidkeramiken, eine hohe Transparenz im nahinfraroten Wellenlängenbereich aufweisen. Hierdurch kommt es nachteilig zu einer starken thermischen Belastung des Substratwerkstoffes, da die thermische Strahlung durch die keramische Wärmedämmschicht dringt und somit zu einer Aufheizung des Substrates (Bauteils) führt. Zudem ist die einstellbare Porosität einer durch APS hergestellten Schicht nach oben limitiert, wodurch die Wärmeleitung nur bis zu einem gewissen Maß reduziert werden kann.
Grundlage der Erfindung ist die Kombination der Verfahren APS und SPS bei der Herstellung eines Wärmedämmschichtsystems, um Schichten mit unterschiedlichen Mikrostrukturen und Eigenschaften zu erzeugen. Hierdurch können Wärmedämmschichten mit definierten, mechanischen und physikalischen Eigenschaften, insbesondere bezüglich der Wärmeleitfähigkeit, der Transparenz, der Absorption oder der Reflektion generiert werden, welche so nicht durch das bislang übliche, jeweilig einlagige System, erreicht werden können. Das erfindungsgemä- ße Wärmedämmschichtsystem umfasst also wenigstens eine Schicht, die mit Hilfe des SPS, als auch wenigstens eine weitere Schicht, die mit Hilfe des APS hergestellt wurde. Der Suspensions-Plasmaspritzprozeß (SPS) ermöglicht die direkte Verarbeitung von Nano- partikeln. Prozessbedingt und bedingt durch die deutlich verringerte Partikelgröße können Schichten erzeugt werden, welche andere Mikrostrukturen sowie verbesserte physikalische und optische Eigenschaften besitzen. So ermöglicht der SPS-Prozess die Herstellung einer Schicht mit einer im Verhältnis zum APS deutlich höheren Porosität und Mikrorissdichte. Hierdurch wird zum einen die Streuung der thermischen Strahlung gesteigert, wodurch optische Eigenschaften, wie die Reflektivität, auch im nahen infraroten Wellenlängenbereich verbessert werden können. Zum anderen kommt es infolge der gesteigerten Porosität zu einer reduzierten Wärmeleitfähigkeit. Beides hat zur Folge, dass die thermische Belastung des Substratwerkstoffes durch Wärmestrahlung und Wärmeleitung deutlich reduziert wird. Allerdings zeigen hoch poröse, dicke SPS Schichten eine niedrigere mechanische Stabilität als vergleichbar dicke herkömmliche APS Schichten. Dies kann zu einer eingeschränkten Anwendbarkeit bei hochbelasteten Bauteilen, einer verringerten Lebensdauer sowie einer reduzierten Erosionsstabilität des WDS Systems führen. Zudem sind die Kosten für eine SPS Schicht infolge geringerer Prozesswirkungsgrade und erhöhten Materialkosten deutlich teurer als vergleichbare APS Schichten.
Durch die Verwendung von APS und SPS Schichten im Schichtsystem können die jeweiligen Nachteile der Einzelsysteme ausgeglichen werden. So kann die APS Schicht insbesondere als mechanisch und erosiv stabile Schicht und die SPS Schicht insbesondere zur Verbesserung der Reflektivität und Reduzierung der Wärmeleitfähigkeit eingesetzt werden. Durch die Kombination beider Prozesse in einem Mehrlagensystem können die Vorteile der einzelnen Schichten optimal verbunden werden und somit Anwendungen ermöglicht werden, welche von den Einzelschichtsystemen nicht erfüllt werden können.
Die besonders vorteilhafte Wirkung der erfindungsgemäßen Wärmedämmschicht liegt in der Erhöhung der Reflektivität und Reduzierung der Wärmeleitfähigkeit der keramischen Deckschicht.
Als für dieses Wärmedämmschichtsystem geeignete Materialien können grundsätzlich Oxidkeramiken, wie Varianten von stabilisiertem ZrO2 (z. B. teilstabilisiertes YSZ, vollstabilisier- tes YSZ), Aluminiumoxid, Aluminate (z. B Granate), Pyrochlore sowie Perowskite, verwendet werden.
Der Übergang zwischen den einzelnen Schichtsystemen kann beispielsweise sowohl separat, als auch graduell erfolgen.
Die vorteilhaften Effekte der erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Schichtsystems sind nicht zwingend von den einzelnen Schichtdicken abhängig.
Bei gleicher Schichtdicke haben die Doppellagen mit einer SPS-Schicht im oberen Bereich regelmäßig eine höhere Reflektivität als eine reine APS-Schicht.
Die Schichtdicken haben aber einen Einfluss auf die Reflektivität, d. h. je dicker die Schicht, desto mehr Volumen ist vorhanden, welches das Licht reflektieren kann. Jedoch ist davon auszugehen, dass ab einer bestimmten Schichtdicke eine Sättigung erreicht wird.
Liste der in dieser Anmeldung verwendeten Abkürzungen: PVD Physical Vapour Deposition, physikalische Gasphasenabscheidung APS Atmospherical Plasma Spray, atmosphärisches Plasmaspritzen VPS Vakuum Plasma Spray, Vakuum Plasmaspritzen HVOF High Velocity Oxygen Fuel, High Valued Oxygen Fläming,
Hochgeschwindigkeitsflammspritzen
CVD Chemical Vapour Deposition, chemische Gasphasenabscheidung CVI Chemical Vapour Infiltration, chemische Gasphaseninfiltration YSZ voll- oder teilstabilisiertes Zirkoniumoxid ZrO2 Zirkoniumdioxid
Spezieller Beschreibungsteil
Nachfolgend wird die Erfindung anhand einiger Ausführungsbeispiele sowie Figuren näher erläutert. Dabei zeigen die Figur 1 : schematische Wärmedämmschichtsysteme a) Doppellagensystem mit hoher Reflektivität und Porosität an der Oberfläche b) Doppellagensystem mit Erosionsschicht c) Dreilagensystem mit hoher Reflektivität und Porosität.
FiRur 2: Abhängigkeit der Reflexion in % gegen den Wellenlängenbereich
0,3 bis 2,5 μm für eine erfindungsgemäße Wärmedämmschicht und eine herkömmliche Wärmedämmschicht (nur APS).
Figur 3: Abhängigkeit der Reflexion in % gegen den Wellenlängenbereich 0,3 bis 2,5 μm für eine erfindungsgemäße Wärmedämmschicht mit
Erosionsschutzschicht und eine herkömmliche Wärmedämmschicht (nur APS).
Die Lösung der Aufgabe der Erfindung, die Lebensdauer von Wärmedämmschichtsystemen durch Reduzierung der thermischen Belastung aufgrund von Wärmestrahlung und Wärmeleitung des metallischen Substrates zu erhöhen, erfolgt erfindungsgemäß durch eine Erhöhung der Reflektivität und Reduzierung der Wärmeleitfähigkeit der keramischen Deckschicht.
Die Figur 1 zeigt schematisch den Aufbau erfindungsgemäßer Wärmedämmschichtsysteme aus einer Kombination aus wenigstens einer Schicht, die über einen APS-Prozeß hergestellt wurde (APS-Schicht), und wenigstens einer weiteren Schicht, die über ein SPS-Prozeß hergestellt wurde (SPS-Schicht). Dargestellt ist der Aufbau von unten nach oben, wie er sich auf einem Bauteil (nicht dargestellt) zur Oberfläche hin ergeben würde.
Ausführunfisbeispiel für Aufbau a)
Die für das SPS-Verfahren eingesetzte Suspension umfasst 5 YSZ-Pulver in Ethanol, wobei die mittlere Partikelgröße des 5YSZ-Pulvers in der Suspension bei ds0 = 40 nm lag. Der Feststoffanteil des Pulvers in der Suspension lag bei 10 Gew.-% (Beispiel 1) und 20 Gew.-% (Beispiel 2). Der Suspensionsdruck betrug 2 bar und wurde mit einem Luftdruck von 0,5 bar betrieben. In Beispiel 1 wurde die Schichtdicke der SPS-Schicht zwischen 60 und 150 μm variiert. Die thermische Leitfähigkeit dieser Schicht betrug nur 0,58 W/mK, wobei die Schicht eine Porosität von ca. 29 % aufwies.
Beim APS-Prozess wurde ein sprühgetrocknetes YSZ-Pulver der Firma Sulzer Metco (Woh- len, Schweiz) mit einer mittleren Korngrößen von d50 = 44 μm verspritzt. Das Pulver zeichnet sich durch sphärische und überwiegend hohe Partikel aus. Der Spritzabstand betrug 150mm. Die Leistung des Brenners (Triplex II) lag bei 57kW. Er fand auch Einsatz beim SPS-Prozess. Die APS-Schicht zeigt demgegenüber lediglich eine Porosität von 9 % und weist eine thermische Leitfähigkeit von ca. 1,1 W/mK auf. Die Gesamtschichtdicke der vorgenannten Doppellagen betrug ca. 330 bis 360 μm, die der zu Vergleichszwecken hergestellten APS-Schicht ca. 380 mm.
Ausführungsbeispiel für Aufbau b)
Herstellung der Doppellage APS- + SPS-Schicht wie bei Aufbau a). Hier wurde ähnlich dem Aufbau a) eine Schichtdicke von ca. 170 μm für die SPS-Schicht eingestellt. Die thermische
Leitfähigkeit dieser Schicht betrug 0,76 W/mK, wobei diese Schicht nur eine Porosität von ca.
20 % aufwies.
Zusätzlich wurde jedoch noch eine Erosionsschicht mit Hilfe des APS-Prozesses auf die SPS- Schicht aufgebracht. Die Gesamtschichtdicke des vorgenannten Dreilagensystems betrug ca. 340 μm, ebenso wie die der zu Vergleichszwecken hergestellten APS-Schicht.
Figur 2 zeigt den Verlauf der Reflexion in % über die Wellenlänge für eine herkömmliche APS-Schicht und zwei erfindungsgemäß ausgestalteten Doppelschichten aus jeweils APS + SPS-Schicht, wobei sich diese in der unterschiedlichen Schichtdicke der SPS-Schicht unterscheiden. Es wird deutlich, dass durch die zusätzlich aufgebrachte SPS-Schicht die Reflexion über den gesamten untersuchten Wellenlängenbereich von 0,3 bis 2,5 μm um wenigstens 2,5 % für die 60 μm dicke SPS-Schicht und um wenigstens 5 % für die 150 μm dicke SPS- Schicht zunimmt.
In Figur 3 werden eine herkömmliche APS-Schicht und eine erfindungsgemäße Ausgestaltung als Dreilagen-Schichtsystem gegenübergestellt. Auch hier zeigt das erfindungsgemäße Schichtsystem eine deutliche Verbesserung der Reflexion über den untersuchten Wellenlängenbereich. Die Verbesserung tritt insbesondere bei Wellenlängen oberhalb von 0,5 μm auf und erreicht mindestes eine Steigerung in der Reflexion von 5 %-Punkten.
Durch die gesteigerte Streuung der Strahlung innerhalb der SPS-Schicht erhöht sich die Re- flektivität des gesamten Schichtsystems. Insbesondere die Rückstreuung ist für die SPS- Schichten deutlich höher als für reine APS-Schichten. Dies wirkt sich somit auch vorteilhaft auf das Dreifachlagensystem aus, bei dem die oberste Schicht eine APS-Schicht ist.
In den Figuren 4a bis 4c werden Aufnahmen der erfmdungsgemäßen Schichtsysteme dargestellt. Die Mikrostrukturen im Querschliff der zwei Doppellagen sind in den Figuren 4a und 4b dargestellt. Die Schichtdicke der SPS-Lage beträgt 60 bzw. 150 μm und für die APS- Schicht 270 bzw. 200 μm. Die SPS-Schicht ist von deutlich feineren Poren durchsetzt und es sind Risse erkennbar, die insbesondere vertikal die Schicht durchlaufen. Innerhalb der APS- Schicht sind deutlich gröbere Poren vertreten.
Die Mikrostruktur im Querschliff des Dreilagensystems ist in Figur 4c dargestellt. Sie SPS- Schicht kennzeichnet sich durch eine hohe Porosität, insbesondere feinere Poren, und durch ein intensives Rissnetzwerk aus. Besonders treten die vertikalen Risse hervor. Die Schichtdicken betragen 30 μm für die Erosionsschicht, 170 μm für die SPS-Schicht und ca. 160 μm für die untere APS-Schicht.
Die erhöhte Reflektivität der Schicht, insbesondere im Sichtbaren (VIS) und im Nahen Infraroten (NIR) Wellenlängenbereich, bewirkt vorteilhaft eine geringere thermische Belastung des Substratwerkstoffes, da auf Grund der höheren Reflektivität nur ein geringerer Anteil an thermischer Strahlung durch die keramische Wärmedämmschicht dringt und somit auch nur zu einer geringeren Aufheizung des Substrates (Bauteils) führt.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Verfahren zur Herstellung eines Schichtsystems auf einem Bauteil mit den Schritten, dass auf das Bauteil wenigstens eine Schicht mit Hilfe des atmosphärischen Plasmaspritzens (APS) sowie wenigstens eine weitere Schicht mit Hilfe des Suspensions- Plasmaspritzens (SPS) abgeschieden werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem eine weitere APS-Schicht abgeschieden wird.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, bei dem auf dem Bauteil zunächst eine APS-Schicht und anschließend eine SPS-Schicht aufgebracht werden.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem auf dem Bauteil zunächst eine APS-Schicht, darauf einen SPS-Schicht und darauf eine weitere APS-Schicht aufgebracht wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem wenigstens eine Schicht als gradierte Schicht aufgebracht wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem als Material für die Schicht eine Oxidkeramik eingesetzt wird.
7. Verfahren nach vorhergehendem Anspruch, bei dem teil- oder vollstabilisiertes Zirkoniumoxid, Aluminiumoxid, ein Aluminate, ein Pyrochlor oder ein Perowskit als Material für die Schicht eingesetzt wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 7, bei dem für wenigstens eine APS- und eine SPS-Schicht identisches Material eingesetzt wird.
9. Schichtsystem auf einem Bauteil umfassend eine erste, poröse Schicht sowie eine darauf angeordnete, zweite poröse Schicht, wobei die Porosität der zweiten Schicht größer als die der ersten Schicht ist, und wobei die Reflektivität größer als die der ersten Schicht ist.
10. Schichtsystem nach Anspruch 9, bei dem die Reflektivität im Sichtbaren (VIS) und im Nahen Infraroten (NIR) Wellenlängenbereich größer als die der ersten Schicht ist.
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