WO2017076731A1 - Heat-insulating layer system with cooling air holes and a different heat-insulating layer in the region of the cooling air holes - Google Patents

Heat-insulating layer system with cooling air holes and a different heat-insulating layer in the region of the cooling air holes Download PDF

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Abstract

The invention relates to a heat-insulating layer system with cooling air holes and a different heat-insulating layer in the region of the cooling air holes. By the use of two different materials in the region of the through-holes (13) and outside of the through-holes (13), the spalling of ceramic material is prevented.

Description

Wärmedämmschichtsystem mit Kühlluftlöchern und verschiedener Wärmedämmschicht im Bereich der Kühlluftbohrungen  Thermal insulation layer system with cooling air holes and different thermal insulation layer in the area of cooling air holes
Die Erfindung betrifft ein Wärmedämmschichtsystem aus einem Substrat und zumindest einer keramischen Beschichtung, wobei das Wärmedämmschichtsystem Durchgangslöcher aufweist und im Bereich der Durchgangslöcher eine andere keramische Beschichtung aufweist. The invention relates to a thermal barrier coating system comprising a substrate and at least one ceramic coating, wherein the thermal barrier coating system has through holes and has a different ceramic coating in the region of the through holes.
Turbinenbauteile von Gasturbinen weisen Kühlluftlöcher, insbesondere Reihen von Kühlluftlöchern auf, wo Kühlluft aus¬ strömt, da dort die Bauteile besonderen thermischen Belastungen ausgesetzt sind, so dass es dort zu stärkeren thermischen Gradienten kommt. Turbine components of gas turbines have cooling air holes, in particular rows of cooling air holes, where cooling air flows from ¬, since there the components are exposed to specific thermal loads so that it is there to stronger thermal gradient.
Diese thermische Belastung könnte zur lokalen Abplatzung der TBC in diesem Bereich führen. Es ist daher Aufgabe der Erfindung ein Bauteil aufzuzeigen, mit dem oben genanntes Problem gelöst wird. This thermal stress could lead to local chipping of TBC in this area. It is therefore an object of the invention to show a component, with the above-mentioned problem is solved.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein keramisches Schichtsystem gemäß Anspruch 1. The object is achieved by a ceramic layer system according to claim 1.
Es zeigen Show it
Figuren 1, 2 verschiedene Querschnittdarstellungen eines erfindungsgemäßen Schichtsystems, sowie  Figures 1, 2 different cross-sectional views of a layer system according to the invention, as well
Figur 3 Kühlluftreihen. Figure 3 cooling air rows.
Die Figuren und die Beschreibung stellen nur Ausführungsbeispiele der Erfindung dar. The figures and the description represent only embodiments of the invention.
In Figur 1 ist ein Querschnitt eine Wand eines Bauteils 1 dargestellt. FIG. 1 shows a cross section of a wall of a component 1.
Das Bauteil 1 ist insbesondere Turbinenschaufel Auf einem Substrat 4 ist eine keramische Beschichtung 7 vor¬ handen . The component 1 is in particular a turbine blade 4 on a substrate a ceramic coating 7 is hands before ¬.
Das Substrat 4 weist zumindest ein Durchgangsloch 13 auf. Um das Durchgangsloch 13 ist eine Vertiefung 11 vorhanden, wo kein erstes keramisches Material der keramischen Beschichtung 7 vorhanden ist.  The substrate 4 has at least one through hole 13. Around the through hole 13 there is a recess 11, where no first ceramic material of the ceramic coating 7 is present.
In der Vertiefung 11 ist ein zweites keramisches Material 10 vorhanden .  In the recess 11, a second ceramic material 10 is present.
Eine solche Turbinenschaufel 1 weist eine Wand auf, die ein Substrat 4 und außen eine keramische Beschichtung 7 aus einem ersten keramischen Material aufweist. Such a turbine blade 1 has a wall which has a substrate 4 and on the outside a ceramic coating 7 made of a first ceramic material.
Das Substrat 4 ist insbesondere eine nickel- oder kobalt¬ basierte Superlegierung . The substrate 4 is in particular a nickel- or cobalt-based superalloy ¬.
Ebenso ist eine metallische Haftvermittlerschicht auf dem Substrat 4 vorhanden (nicht näher dargestellt) , insbesonder auf der Basis NiCoCrAlY, einer Oxidschicht, gewachsen oder oxidiert von der metallischen Haftvermittlerschicht und da¬ rauf zumindest eine keramische Beschichtung 7 aus einem ers ten keramischen Material. Similarly, a metallic bond layer is present (not shown in detail) on the substrate 4, insbesonder based NiCoCrAlY, an oxide layer, grown, or oxidized by the metallic bond coating layer, and since ¬ up at least a ceramic coating 7 made of a ers th ceramic material.
Das erste keramische Material ist vorzugsweise teilstabili¬ siertes Zirkonoxid. The first ceramic material is preferably teilstabili ¬ overbased zirconium oxide.
Das Schichtsystem 1 weist ebenso Durchgangslöcher 13 auf, die bei Turbinenbauteilen zur Filmkühlung dienen. Dabei ist im Bereich des Durchgangslochs 13 an der Oberfläche des Sub¬ strats in dem Bereich 11 kein Material der keramischen Beschichtung 7 aus dem ersten keramischen Material vorhanden, sondern ein zweites Material als keramische Wärmedämmschicht 10. The layer system 1 also has through holes 13, which serve for film cooling in turbine components. It is in the area of the through hole 13, no material of the ceramic coating 7 is provided from the first ceramic material, but a second material as the ceramic thermal barrier coating 10 on the surface of the sub ¬ strats in the region. 11
Das zweite keramische Material unterscheidet sich von dem ersten keramischen Material zumindest durch eine höhere Poro¬ sität um mindestens 2% (absolut) und/oder durch die Mikro¬ struktur mit länglichen Rissen oder einer DVC-Struktur (senk- rechte Risse in einer dichten Schicht) und/oder durch die Zusammensetzung . The second ceramic material is different from the first ceramic material at least by a higher poro ¬ intensity at least 2% (absolute) and / or through the micro ¬ structure with longitudinal cracks or a DVC structure (perpendicular right cracks in a dense layer) and / or by the composition.
Das zweite Material ist insbesondere eine keramische Be- Schichtung mit senkrechten Rissen (DVC) , die auch eine erhöhte Dichte und/oder ein Pyrochlor aufweist. The second material is in particular a ceramic coating with vertical cracks (DVC), which also has an increased density and / or a pyrochlore.
Zwischen der keramischen Beschichtung 7 aus dem ersten Material und der keramischen Schicht 10 aus dem zweiten Material ist vorzugsweise ein Spalt 19 vorhanden. Between the ceramic coating 7 of the first material and the ceramic layer 10 of the second material, a gap 19 is preferably present.
In Figur 2 ist eine Aufsicht auf Figur 1 gezeigt. FIG. 2 shows a plan view of FIG. 1.
Es zeigt die Oberfläche des keramischen Schichtsystems 1 mit zwei Durchgangslöchern 13, die Teil einer Kühlluftreihe 14; 30, 33, 36 (Fig. 3) sind. Entlang der Ausrichtung 15 der Kühlluftreihe 13 ist das zweite Material vorhanden, welches die Kühlluftlöcher 13 nicht verschließt. It shows the surface of the ceramic layer system 1 with two through holes 13, which are part of a cooling air row 14; 30, 33, 36 (Figure 3). Along the orientation 15 of the cooling air row 13, the second material is present, which does not close the cooling air holes 13.
Das zweite Material 15 ist vorzugsweise durchgängig entlang der Ausrichtung 15 vorhanden.  The second material 15 is preferably continuous along the orientation 15.
Eine solche Anordnung wird dadurch hergestellt, dass zuerst das erste keramische Material für das keramische Schichtsys¬ tem 7 aufgebracht wird und durch geeignete Maßnahmen beim Be- schichten oder nachträgliches Entfernen eine Aussparung entsteht, in der kein keramisches Material entlang der Kühlluft¬ reihe 14 oder die Durchgangsbohrung 13 vorhanden ist. Such an arrangement is produced in that first the first ceramic material for the ceramic Schichtsys ¬ system 7 is applied and layer by suitable measures during loading or subsequent removal of a recess is formed in which no ceramic material along the cooling air ¬ row 14 or the Through hole 13 is present.
Die Ausdehnung der Vertiefung 11 quer zur Längsausrichtung der Kühlluftreihe 14, 30, 33, 36 beträgt das 2-3fache des Durchmessers des Durchgangslochs 13. The extent of the recess 11 transverse to the longitudinal direction of the cooling air row 14, 30, 33, 36 is 2-3 times the diameter of the through hole 13th
Dann wird in einem zweiten Beschichtungsprozess das zweite keramische Material in dem Bereich um die Durchgangslöcher 13 aufgebracht. Then, in a second coating process, the second ceramic material is deposited in the area around the through holes 13.
Die Porosität der keramischen Beschichtung für die Schicht 7 liegt bei mindestens 8%. Die Porosität für eine solche dichte Schicht des zweiten keramischen Materials mit länglichen Rissen oder DVC-Struktur beträgt höchstens 6%, insbesondere höchstens 5%. The porosity of the ceramic coating for the layer 7 is at least 8%. The porosity for such a dense layer of the second ceramic material having elongated cracks or DVC structure is at most 6%, especially at most 5%.
Ebenso kann zuerst das zweite keramische Material für die keramische Beschichtung und des Durchgangslochs 13 um die Kühlluftreihe 14 aufgebracht werden und dann wird das erste Material für die Beschichtung 7 aufgebracht. Also, first, the second ceramic material for the ceramic coating and the through hole 13 may be applied around the cooling air row 14, and then the first material for the coating 7 is applied.
Figur 3 zeigt eine Aufsicht auf ein Schaufelblatt 39 einer Turbinenschaufel . FIG. 3 shows a plan view of an airfoil 39 of a turbine blade.
Die eine Seite des Schaufelblatts 39 weist insbesondere drei Kühlluftreihen 30, 33, 36 auf. Diese können gradlinig 33, einmal abgeknickt 30a, 30b oder zweifach abgeknickt 36a, 36b, 36c verlaufen.  The one side of the airfoil 39 has, in particular, three rows of cooling air 30, 33, 36. These can run straight 33, once bent 30a, 30b or bent twice 36a, 36b, 36c.
Jedenfalls sind in den Abschnitten 30a, 30b; 33; 36a, 36b, 36c jeweils mehrere Kühlluftlöcher gradlinig angeordnet.  In any case, in sections 30a, 30b; 33; 36a, 36b, 36c each arranged a plurality of cooling air holes in a straight line.

Claims

Patentansprüche claims
1. Keramisches Schichtsystem (1) mit Durchgangslöchern (13) durch das Schichtsystem (1), 1. ceramic layer system (1) with through holes (13) through the layer system (1),
das (1) zumindest aufweist:  that (1) has at least:
ein Substrat ( 4 ) ,  a substrate (4),
eine keramische Beschichtung (7) mit zumindest einer kera¬ mischen Schicht aus einem ersten keramischen Material auf dem Substrat (4), a ceramic coating (7) with at least one Kera ¬ mix layer of a first ceramic material on the substrate (4),
mit einer Vertiefung (11) in der keramischen Beschichtung (7) im Bereich des zumindest einen Durchgangslochs (13), wobei direkt um das zumindest eine Durchgangsloch (13) innerhalb der Vertiefung (7) ein zweites keramisches Mate- rial aufgebracht ist,  with a recess (11) in the ceramic coating (7) in the region of the at least one through-hole (13), wherein a second ceramic material is applied directly around the at least one through-hole (13) within the recess (7),
wobei sich das zweite keramische Material in der Porosität um absolut mindestens 2%, insbesondere mindestens 5% gegen über der Porosität der keramischen Beschichtung (7) aus dem ersten keramischen Material  wherein the second ceramic material in the porosity of at least 2%, in particular at least 5% compared to the porosity of the ceramic coating (7) of the first ceramic material
und/oder  and or
im Gegensatz zum ersten keramischen Material der keramischen Beschichtung (7) senkrechte Risse aufweist  in contrast to the first ceramic material of the ceramic coating (7) has vertical cracks
und/oder  and or
eine andere chemische Zusammensetzung aufweist,  has a different chemical composition,
die sich zumindest in einem Bestandteil um mindestens 15% unterscheidet .  which differs at least in one component by at least 15%.
2. Schichtsystem nach Anspruch 1, 2. Layer system according to claim 1,
bei dem zwischen der Beschichtung (7) und der Schicht aus dem zweiten keramischen Material um das zumindest eine Durchgangsloch (13) ein Spalt (19) vorhanden ist. in which a gap (19) is present between the coating (7) and the layer of the second ceramic material around the at least one through-hole (13).
3. Schichtsystem nach einem oder beiden der Ansprüche 1 oder 2, 3. Layer system according to one or both of claims 1 or 2,
das eine Kühlluftreihe (14) mit Durchgangslöchern (13) auf¬ weist, one series of cooling air (14) with through holes (13) has ¬,
und dass das zweite keramische Material sich durchgehend entlang der Kühlluftreihe (14; 30, 33, 36) erstreckt.  and that the second ceramic material extends continuously along the row of cooling air (14; 30, 33, 36).
4. Schichtsystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2 oder 3, 4. Layer system according to one or more of claims 1, 2 or 3,
bei dem das erste keramische Material Zirkonoxid aufweist.  wherein the first ceramic material comprises zirconia.
5. Schichtsystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2, 3 oder 4, 5. Layer system according to one or more of claims 1, 2, 3 or 4,
bei dem das zweite keramische Material ein Pyrochlor auf¬ weist. wherein the second ceramic material has a pyrochlore on ¬.
6. Schichtsystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2, 3, 4 oder 5, 6. Layer system according to one or more of claims 1, 2, 3, 4 or 5,
bei dem die Ausdehnung der Vertiefung (11) quer zur Ausrichtung (15) das 2-3fache des Durchmessers des Durchgangs¬ lochs (13) beträgt. in which the extent of the recess (11) transversely to the orientation (15) is 2-3 times the diameter of the passage ¬ hole (13).
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