WO2016162221A1 - Zweilagige keramische wärmedämmschicht mit übergangszone - Google Patents

Zweilagige keramische wärmedämmschicht mit übergangszone Download PDF

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    • C23C4/10—Oxides, borides, carbides, nitrides or silicides; Mixtures thereof
    • C23C4/11—Oxides

Definitions

  • the invention relates to a ceramic thermal barrier coating having a plurality of layers.
  • thermal barrier coating system which consists of a two-layer ceramic on a metallic coating.
  • the object is achieved by a ceramic thermal insulation ⁇ layer system according to claim 1.
  • FIG. 1 shows a thermal barrier coating system
  • Figure 2 shows a list of superalloys.
  • FIG. 1 shows a thermal barrier coating system 1.
  • a nickel- or cobalt-based superalloy is preferably used as a preferably metallic substrate 4.
  • a, in particular metallic, adhesive ⁇ mediator layer 7 is present on the substrate 4 .
  • This is in particular a coating layer of an MCrAlY alloy (M Ni, Co and / or Fe).
  • An oxide layer (not shown) is then present or develops on this particularly metallic adhesion promoter layer 7 during operation or coating with the following ceramic coating.
  • a lower ceramic coating 10 on the Haftvermitt ⁇ Lersch layer 7 has a partially stabilized zirconium oxide layer (SZ) which is stabilized by particularly yttrium (Y) (YSZ).
  • the lower ceramic coating 10 consists only of partially stabilized zirconium oxide.
  • the outermost layer 13 of ceramic pyrochlore presents ⁇ preferably a layer of gadolinium (GZO) or represents from gadolinium (GHO) - or mixtures thereof are.
  • GZO gadolinium
  • GHO gadolinium
  • the outermost ceramic layer has at least 85% pyrochlore.
  • a ceramic transition zone 15 is present.
  • the ceramic transition zone 15 has a first layer of a mixture of in particular 60% SZ and 40% pyrochlore and in a second intermediate layer of 40% SZ and 60% pyrochlore.
  • the ceramic transition zone 15 with a maximum of 120 .mu.m, in particular a maximum of 100 .mu.m is made significantly thinner.
  • the ceramic intermediate layers are the same thickness.
  • the ceramic layers are applied to a suitable APS spray system.
  • the coating gun of this APS-system is provided with powder ⁇ conveying lines, in which the YSZ and the GZO- wettable powder is available in parallel. First, a layer of the desired thickness of YSZ is injected.
  • This is preferably at least 250 ⁇ thick in order to prevent a tension ⁇ voltage transfer from the MCrAlY over the YSZ layer on the GZO. Is this done, the gun is reduced to ⁇ guided YSZ powder content, and the content of GZO raised to the same extent as YSZ is reduced, is injected until only pure GZO. Hereby ge ⁇ wished thickness of the GZO layer is then completed.

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Abstract

Durch die Einführung einer Übergangszone zwischen zwei verschiedenen keramischen Materialien und eines keramischen Wärmedämmschichtsystems, wobei die Übergangszone deutlich dünner ausgeführt ist als die untere und obere keramische Schicht und die Gradierung eng aneinander gelegt wird, lässt sich eine dicke Wärmedämmschicht herstellen.

Description

Zweilagige keramische Wärmedämmschicht mit Ubergangszone
Die Erfindung betrifft eine keramische Wärmedämmschicht, die mehrere Lagen aufweist.
Bei Gasturbinen wird zunehmend ein Wärmedämmschichtsystem eingesetzt, welches aus einer zweilagigen Keramik auf einer metallischen Beschichtung besteht.
Bisherige Erfahrungen zeigten, dass die Bindung der zweilagigen Keramik zwischen Zirkonoxid- und einer Pyrochlorschicht aufgrund unterschiedlicher physikalischer Eigenschaften nicht stark genug ist.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung oben genanntes Problem zu lösen .
Die Aufgabe wird gelöst durch ein keramisches Wärmedämm¬ schichtsystem nach Anspruch 1.
In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Maßnahmen aufgelistet, die beliebig miteinander kombiniert werden kön¬ nen, um weitere Vorteile zu erzielen.
Die Figuren zeigen nur Ausführungsbeispiele der Erfindung.
Figur 1 zeigt ein Wärmedämmschichtsystem auf,
Figur 2 zeigt eine Liste von Superlegierungen .
Die Figur 1 zeigt ein Wärmedämmschichtsystem 1.
Als vorzugsweise metallisches Substrat 4 wird vorzugsweise eine nickel- oder kobaltbasierte Superlegierung, insbesondere gemäß Figur 2 verwendet.
Auf dem Substrat 4 ist eine, insbesondere metallische, Haft¬ vermittlerschicht 7 vorhanden. Dies ist insbesondere eine Überzugsschicht aus einer MCrAlY-Legierung (M = Ni, Co und/oder Fe) . Auf dieser insbesondere metallischen Haftvermittlerschicht 7 ist dann eine Oxidschicht (nicht dargestellt) vorhanden bzw. entwickelt sich während des Betriebs oder des Beschichtens mit der nachfolgenden keramischen Beschichtung.
Eine untere keramische Beschichtung 10 auf der Haftvermitt¬ lerschicht 7 weist eine teilstabilisierte Zirkonoxidschicht (SZ) auf, die insbesondere durch Yttrium (Y) stabilisiert ist (YSZ) .
Insbesondere besteht die untere keramische Beschichtung 10 nur aus teilstabilisiertem Zirkonoxid.
Die äußerste keramische Schicht 13 aus Pyrochlor stellt vor¬ zugsweise eine Schicht aus Gadoliniumzirkonat (GZO) dar bzw. aus Gadoliniumhafnat (GHO) - bzw. Mischungen daraus dar.
Insbesondere weist die äußerste keramische Schicht mindestens 85% Pyrochlor auf.
Zwischen der äußersten keramischen Schicht 13 und der unteren keramischen Schicht 10 ist eine keramische Übergangszone 15 vorhanden .
Die keramische Übergangszone 15 weist eine erste Schicht aus einer Mischung von insbesondere 60% SZ und 40% Pyrochlor und in einer zweiten Zwischenlage von 40% SZ und 60% Pyrochlor auf.
Der Unterschied in dem Anteil von Pyrochlor in den zwei kera¬ mischen Schichten liegt höchstens bei 30%, insbesondere höchstens bei 20% (60% - 40% = 20%) . Entsprechendes gilt dann für SZ oder YSZ.
Die Anteile von SZ und Pyrochlor bzw. GZO bzw. GHO liegen relativ dicht beieinander.
Insbesondere sind nur zwei keramische Schichten für die kera¬ mische Übergangszone 15 vorhanden. Für die untere keramische Schicht 10 ist vorzugsweise eine Dicke von 300μm ± 50μm vorgesehen. Eine vergleichbare Dicke ergibt sich vorzugsweise für die äußerste Pyrochlor-Schicht 13, wobei diese auch dicker ausge¬ führt werden kann. Jedoch ist die keramische Übergangszone 15 mit maximal 120μm, insbesondere maximal lOOμm deutlich dünner ausgeführt.
Vorzugsweise sind die keramischen Zwischenschichten gleich dick .
Nach dem Aufspritzen der metallischen Beschichtung mittels Vakuum-Plasma- oder Hochgeschwindigkeitsflammspritzen werden auf einer geeigneten APS-Spritzanlage die keramischen Schichten aufgebracht.
Die Beschichtungspistole dieser APS-Anlage wird mit Pulver¬ förderlinien versehen, bei denen das YSZ- sowie das GZO- Spritzpulver parallel zur Verfügung steht. Es wird zuerst eine Schicht in der gewünschten Dicke aus YSZ gespritzt.
Diese ist vorzugsweise mindestens 250μηι dick, um ein Span¬ nungsübertrag von der MCrAlY aus über die YSZ-Schicht auf das GZO zu verhindern. Ist diese fertig, wird der der Pistole zu¬ geführte YSZ-Pulveranteil verringert, und der Anteil von GZO in gleichem Maße angehoben, wie YSZ verringert wird, bis nur noch reines GZO gespritzt wird. Hiermit wird dann die ge¬ wünschte Dicke der GZO-Lage fertig gestellt.
Da alle Beschichtungen durch mehrfach übereinander gelegte Lagen aus gleichem Material aufgebaut werden, wird der Über- gang zwischen den Anteilen der beiden Pulver nicht kontinuierlich fließend sondern gestuft sein:
untere keramische Schicht
1. Zwischenschicht
2. Zwischenschicht
äußerste keramische Schicht:
300μm YSZ ± 50μm (100%)
40-60μm YSZ (60%) + GZO (40%)
40-60μm YSZ (40%) + GZO (60%) 300μm ± 50μηι GZO (100%) .

Claims

Patentansprüche
1. Keramisches Wärmedämmschichtsystem (1),
zumindest aufweisend:
ein Substrat ( 4 ) ,
insbesondere metallisch,
ganz insbesondere aus einer Nickelbasis-Superlegierung, eine Haftvermittlerschicht (7),
insbesondere eine metallische Haftvermittlerschicht (7), ganz insbesondere aus einer MCrAlY-Legierung, M = Ni, Co und/oder Fe,
einer unteren keramischen Schicht (10) aus teilstabilisiertem Zirkonoxid,
die insbesondere nur aus teilstabilisiertem Zirkonoxid be¬ steht,
eine keramische Übergangszone (15),
die sowohl teilstabilisiertes Zirkonoxid als auch Pyrochlor aufweist,
die insbesondere nur aus Zirkonoxid und Pyrochlor besteht, sowie eine äußerste keramische Schicht (13) aus Pyrochlor, die kein teilstabilisiertes Zirkonoxid aufweist,
insbesondere mindestens 85% Pyrochlor aufweist.
2. Schichtsystem nach Anspruch 1,
bei dem die äußerste keramische Schicht (13) genauso dick ist wie die untere keramische Schicht (10) .
3. Schichtsystem nach einem oder beiden der Ansprüche 1 oder 2,
bei dem die untere keramische Schicht (10) 300μm ± 50μm dick ist.
4. Schichtsystem nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 1, 2 oder 3,
bei dem die äußerste keramische Schicht (13) 300μm ± 50μm dick ist.
5. Schichtsystem nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 1, 3 oder 4,
bei dem die äußerste keramische Schicht (13) mindestens 10 dicker ist als die untere keramische Schicht (10) .
6. Schichtsystem nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 1, 2, 3, 4 oder 5,
bei dem die keramische Übergangszone (15) aus zwei kerami¬ schen Zwischenschichten besteht,
die verschiedene Anteile von Zirkonoxid und Pyrochlor auf¬ weisen,
insbesondere nur Anteile von Zirkonoxid und Pyrochlor auf- weisen.
7. Schichtsystem nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 1, 2, 3, 4, 5 oder 6,
bei der die erste keramische Zwischenschicht der kerami¬ schen Übergangszone (15) auf der unteren keramischen
Schicht (10) 60% teilstabilisiertes Zirkonoxid und 40% Pyrochlor aufweist.
8. Schichtsystem nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 1, 2, 3, 4, 5, 6 oder 7,
bei dem der Anteil an Zirkonoxid in der zweiten Zwischenschicht direkt unter der äußersten keramischen Schicht (13) bei 40% teilstabilisiertem Zirkonoxid und 60% Pyrochlor liegt .
9. Schichtsystem nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche,
bei dem die keramischen Zwischenschichten gleich dick sind, insbesondere zwischen 40μm und 60μm dick sind.
10. Schichtsystem nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 6 bis 9,
bei dem der absolute Unterschied in dem Anteil von Pyro- chlor in den zwei keramischen Zwischenschichten höchstens
30%, insbesondere höchstens 20% beträgt.
11. Schichtsystem nach einem oder mehreren der vorhergehen- den Ansprüche 6 bis 9,
bei dem der absolute Unterschied in dem Anteil von
Zirkonoxid in den zwei keramischen Zwischenschichten höchstens 30%, insbesondere höchstens 20% beträgt.
12. Schichtsystem nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 6 bis 10,
bei dem das Pyrochlor Gadoliniumzirkonat aufweist.
PCT/EP2016/056522 2015-04-09 2016-03-24 Zweilagige keramische wärmedämmschicht mit übergangszone WO2016162221A1 (de)

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