WO2015165662A1 - Cmas resistente keramische schicht durch nanoporosität - Google Patents

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Definitions

  • the invention relates to a ceramic layer system which has a higher resistance to CMAS deposits due to nanoporosity.
  • CMAS calcium-magnesium-aluminum-silicon
  • the object is achieved by a ceramic layer system according to claim 1.
  • Figure 1 2 embodiments of the invention
  • Figure 3 is a list of superalloys.
  • the high surface area of the nanostructured layer provides sufficient time for the ceramic material to react with the precipitate, closing the pores and preventing further infiltration of the deposit.
  • FIG. 1 shows a ceramic layer system 1.
  • the ceramic layer system has a substrate 4, in particular a nickel- or cobalt-based superalloy
  • FIG. 3 on which a diffusion or adhesion promoter layer 7 made of a metal or a metal alloy is applied.
  • An oxide layer (not shown) is formed on the metallic layer during further coating or in use.
  • the metallic layer 7 can be coated with an oxide layer.
  • a ceramic heat-insulating layer 10 is applied.
  • This ceramic, heat-insulating layer 10 is formed in one layer in the exemplary embodiment, d. H. consists of one and the same material and has a certain porosity, wherein the powder used has particle sizes only in the micrometer range and thus also the heat-insulating layer 10th
  • This multi-micron powder was applied by known thermal spray techniques, in particular by APS, HVOF, LPPS or VPS.
  • the pore size can then be in the micrometer range.
  • the porosity of the ceramic insulating layer 10 is preferably greater than or equal to 8%.
  • the material of the ceramic layer 10 preferably consists of partially stabilized zirconium oxide, in particular yttrium partially stabilized zirconium oxide.
  • a highly porous and nanostructured layer is present as the outermost impurity protection layer 13.
  • FIG. 2 shows a further ceramic layer system 1 'which, in contrast to the single-layer ceramic thermal barrier coating 10, has a two-layer ceramic thermal barrier coating 11, 11', the materials for the ceramic coating 11 and the ceramic coating 11 'being different.
  • the lower ceramic layer 11 is preferably one
  • Zirconium oxide layer in particular yttrium partially stabilized zirconium oxide layer, on which a pyrochlore structure for the outer ceramic layer 11 'is applied.
  • the material for the upper ceramic layer 11 ' may preferably have a pyrochlore structure, ie
  • Gadolinium zirconate or hafnate and thus the same material for the nanostructured ceramic layer 13.
  • the porosity of the ceramic, insulating layers 11, 11 ' is preferably greater than or equal to 8% and may also be different.
  • the outermost contamination protection layer 13 is also the outermost layer of the layer system 1, 1 '.
  • the material for the nanostructured contamination protection layer 13 (FIGS. 1, 2) is preferably a pyrochlore such as
  • the outermost contamination protection layer 13 has a
  • the contribution to the thermal insulation due to the layer thickness is significantly lower.
  • the preferred layer thickness is ⁇ to 300 ⁇ .
  • Such nanostructured layers 13 can be applied to the ceramic layer 10, 11, 11 'in various ways.
  • nanopowders particles sizes ⁇ 500 nm
  • nanopowders particles sizes ⁇ 500 nm
  • agglomerated nanopowders can be applied by the standard methods: APS, HVOF, LPPS or VPS.
  • the nanostructured layer 13 has a high proportion, in particular at least 50%, in particular at least 66%, of pores and channels in the nanometer range ( ⁇ 500 nm).
  • the porosity of the outer ceramic layer 13 is preferably at least 10%, in particular at least 15% (FIGS. 1, 2).
  • Such a layer system (FIGS. 1, 2) is preferably used for turbine components, in particular gas turbine components. Porosities are preferably given in vol%.

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Abstract

Durch die Verwendung einer nanostrukturierten äußeren Schicht allein zum Schutz gegen CMAS wird die Lebensdauer von keramischen Wärmedämmschichten, die einem CMAS-Einfluss unterliegen, deutlich verbessert. Auf einem bevorzugt metallischen Substrat (4) wird eine metallische Schicht (7), bevorzugt eine MCrAlX- Legierung aufweisend, eine keramische wärmedämmende Schicht (10) und eine äußere, nanostrukturierte Schicht (13), bevorzugt eine keramische Pyrochlorstruktur aufweisend, aufgebracht.

Description

CMAS resistente keramische Schicht durch Nanoporosität
Die Erfindung betrifft ein keramisches Schichtsystem, das durch Nanoporosität eine höhere Resistenz gegenüber CMAS- Ablagerungen aufweist.
Es ist bekannt, dass Calcium-Magnesium-Aluminium-Silizium (CMAS) Abscheidungen auf keramischen Schichten wie keramischen Wärmedämmschichten zum Abplatzen der keramischen
Schicht führen können.
Bisher wurden EP-PVD-strukturierte kolumnare
Zirkonoxidschichten abgeschieden. Das ist doch sehr aufwendig .
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein keramisches Schichtsystem aufzuzeigen, das einfach herzustellen ist und die gewünschten Eigenschaften aufweist. Die Aufgabe wird gelöst durch ein keramisches Schichtsystem gemäß Anspruch 1.
In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Maßnahmen aufgelistet, die beliebig weiter miteinander kombiniert wer- den können, um weitere Vorteile zu erzielen.
Es zeigen
Figur 1, 2 Ausführungsbeispiele der Erfindung, Figur 3 eine Liste von Superlegierungen .
Die Figuren und die Beschreibung stellen nur Ausführungsbeispiele der Erfindung dar. Die Aufgabe wird gelöst durch eine poröse und nanostruktu- rierte keramische Schicht, insbesondere eine
Pyrochlorschicht . Durch die hohe Oberfläche der nanostrukturierten Schicht ist genügend Zeit für das keramische Material gegeben, um mit dem Niederschlag zu reagieren, was zur Verschließung der Poren führt und eine weitere Infiltration der Ablagerung ver- hindert .
In Figur 1 ist ein keramisches Schichtsystem 1 dargestellt. Das keramische Schichtsystem weist ein Substrat 4, insbeson- dere aus einer nickel- oder kobaltbasierte Superlegierung
(Fig. 3) auf, auf der eine Diffusions- oder Haftvermittlerschicht 7 aus einem Metall oder einer Metalllegierung aufgebracht ist. Dies ist insbesondere bei nickel- oder kobaltbasierten Super- legierungen eine MCrAlX-Legierung (X = Y, Re, Si, Ta und/oder Fe) .
Auf der metallischen Schicht entsteht eine Oxidschicht (nicht dargestellt) beim weiteren Beschichten oder im Einsatz. Ebenso kann die metallische Schicht 7 mit einer Oxidschicht beschichtet werden.
Auf der metallischen Haftvermittlerschicht 7 oder auf der Oxidschicht ist eine keramische wärmedämmende Schicht 10 aufgebracht .
Diese keramische, wärmedämmende Schicht 10 ist hier in dem Ausführungsbeispiel einlagig ausgebildet, d. h. besteht aus ein und demselben Material und weist eine gewisse Porosität auf, wobei das verwendete Pulver Korngrößen nur im Mikrometerbereich aufweist und damit auch die wärmedämmende Schicht 10.
Dieses mehrere Mikrometer große Pulver wurde durch bekannte thermische Spritzverfahren, insbesondere durch APS, HVOF, LPPS oder VPS aufgetragen.
Die Porengröße kann dann auch im Mikrometerbereich liegen. Die Porosität der keramischen, wärmedämmenden Schicht 10 liegt vorzugweise bei größer gleich 8%.
Vorzugsweise besteht das Material der keramischen Schicht 10 aus teilstabilisiertem Zirkonoxid, insbesondere Yttrium teilstabilisiertem Zirkonoxid.
Erfindungsgemäß ist als äußerste Verunreinigungsschutzschicht 13 eine hochporöse und nanostrukturiere Schicht vorhanden.
In Figur 2 ist ein weiteres keramisches Schichtsystem 1' gezeigt, das im Gegensatz zu der einlagigen keramischen Wärmedämmschicht 10 eine zweilagige keramische Wärmedämmschicht 11, 11' aufweist, wobei die Materialien für die keramische Schicht 11 und keramische Schicht 11' verschieden sind.
Die untere keramische Schicht 11 ist vorzugsweise eine
Zirkonoxidschicht , insbesondere teilstabilisierte
Zirkonoxidschicht, ganz insbesondere Yttrium teilstabilisierte Zirkonoxidschicht, auf der eine Pyrochlorstruktur für die äußere Keramikschicht 11' aufgebracht ist.
Das Material für die obere keramische Schicht 11' kann vor- zugsweise eine Pyrochlorstruktur aufweisen, also
Gadoliniumzirkonat oder -hafnat aufweisen und damit dasselbe Material für die nanostrukturiere keramische Schicht 13.
Die Porosität der keramischen, wärmedämmenden Schichten 11, 11' liegt vorzugweise bei größer gleich 8% und kann auch verschieden sein.
Die äußerste Verunreinigungsschutzschicht 13 ist auch die äu- ßerste Schicht des Schichtsystem 1, 1'. Das Material für die nanostrukturierte Verunreinigungsschutzschicht 13 (Fig 1, 2) ist vorzugweise ein Pyrochlor wie
Gadoliniumzirkonat oder Gadoliniumhafnat . Die äußerste Verunreinigungsschutzschicht 13 weist eine
Schichtdicke von mindestens 50μπι, insbesondere von mindestens ΙΟΟμπι aufweist und insbesondere höchstens 40% Schichtdicke der keramischen wärmedämmenden Schicht 10 auf, d. h. der Beitrag zur Wärmedämmung aufgrund der Schichtdicke ist deutlich geringer.
Daher liegt die bevorzugte Schichtdicke bei ΙΟΟμπι bis 300μπι.
Solche nanostrukturierten Schichten 13 (Fig 1, 2) können auf verschiedene Art und Weise auf die keramische Schicht 10, 11, 11' aufgebracht werden.
Dabei können Nanopulver (Korngrößen < 500nm) verwendet und durch entsprechende Verfahren aufgetragen werden.
Ebenso können agglomerierte Nanopulver mit den Standardverfahren: APS, HVOF, LPPS oder VPS aufgetragen werden.
Andere Verfahren sind ebenfalls denkbar.
Die nanostrukturierte Schicht 13 weist auf jeden Fall einen hohen Anteil, insbesondere zu mindestens 50%, ganz insbesondere zu mindestens 66% an Poren und Kanälen im Nanometerbe- reich (<500nm) auf.
Die Porosität der äußeren keramischen Schicht 13 beträgt vorzugsweise mindestens 10%, insbesondere mindestens 15% (Fig. 1, 2) .
Vorzugsweise wird ein solches Schichtsystem (Fig. 1, 2) für Turbinenbauteile, insbesondere Gasturbinenbauteile, verwendet . Porositäten werden vorzugsweise in vol% angegeben.

Claims

Patentansprüche
1. Keramisches Wärmedämmschichtsystem (1, I
das zumindest aufweist
ein Substrat (4) ,
insbesondere aus einer nickel- oder kobaltbasierten Superle- gierung,
eine metallische Schicht (7) ,
insbesondere direkt auf dem Substrat (4) ,
wobei die metallische Schicht (7) insbesondere eine MCrAlX- Legierung aufweist mit X = Y, Re, Si, Ta und/oder Fe, insbesondere wobei auf der metallischen Schicht (7) eine Oxidschicht aufgebracht ist oder schon aufwachsen gelassen wurde und
wobei auf der Oxidschicht oder auf der metallischen Schicht
(7) eine keramische, wärmedämmende Schicht (10, 11, U aufgebracht ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine äußere, nanostrukturierte Schicht als äußerste Verunreinigungsschutzschicht (13) vorhanden ist,
die insbesondere keramisch ausgebildet ist,
ganz insbesondere eine Pyrochlorstruktur aufweist.
2. Schichtsystem nach Anspruch 1,
bei dem die Schichtdicke der äußersten Verunreinigungsschutzschicht (13) höchstens 40%,
insbesondere höchstens 30%,
ganz insbesondere höchstens 20%
der Dicke der keramischen wärmedämmende Schutzschicht (10, 11, UM aufweist.
3. Schichtsystem nach einem oder beiden der Ansprüche 1 oder 2,
bei dem auf der metallischen Schicht (7) oder der Oxidschicht auf der metallischen Schicht (7) eine zweilagige keramische Wärmedämmschicht (11 M 11) aufgebracht ist,
insbesondere eine untere Zirkonoxidschicht (11) und eine äußere Schicht (U mit Pyrochlorstruktur .
4. Schichtsystem nach einem oder beiden der Ansprüche 1 oder 2,
bei dem auf der metallischen Schicht (7) oder der Oxidschicht auf der metallischen Schicht (7) eine einlagige keramische Wärmedämmschicht (10) aufgebracht ist,
insbesondere eine Zirkonoxidschicht (10) .
5. Keramisches Wärmedämmschichtsystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2 oder 3,
bei dem das Material für die äußerste Verunreinigungsschutzschicht (13) das gleiche Material aufweist wie die äußere keramische wärmedämmende Schutzschicht (UM.
6. Schichtsystem nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche,
bei dem Gadoliniumzirkonat und/oder Gadoliniumhafnat für die äußerste Verunreinigungsschutzschicht (13) verwendet wird.
7. Schichtsystem nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche,
bei dem die Porosität der äußersten Verunreinigungsschutzschicht (13) > 10%, insbesondere > 15% beträgt.
8. Schichtsystem nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche,
bei dem die Porosität der keramischen, wärmedämmenden Schichten (10, 11, U größer 8% beträgt.
9. Schichtsystem nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche,
bei dem die Schichtdicke der äußersten Verunreinigungsschutz - Schicht (13) mindestens 50μπι,
insbesondere mindestens ΙΟΟμπι
beträgt .
10. Schichtsystem nach einem oder mehreren der vorherigen An sprüche,
bei dem die Schichtdicke der äußersten Verunreinigungsschutz Schicht (13) ΙΟΟμπι bis 300μπι beträgt.
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