WO2017084850A1 - Segmentiertes zweilagiges schichtsystem - Google Patents

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WO2017084850A1
WO2017084850A1 PCT/EP2016/075892 EP2016075892W WO2017084850A1 WO 2017084850 A1 WO2017084850 A1 WO 2017084850A1 EP 2016075892 W EP2016075892 W EP 2016075892W WO 2017084850 A1 WO2017084850 A1 WO 2017084850A1
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ceramic
layer system
depressions
adhesion promoter
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Cora HITCHMAN
Johannes Richter
Dimitrios Thomaidis
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C28/00Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D
    • C23C28/30Coatings combining at least one metallic layer and at least one inorganic non-metallic layer
    • C23C28/34Coatings combining at least one metallic layer and at least one inorganic non-metallic layer including at least one inorganic non-metallic material layer, e.g. metal carbide, nitride, boride, silicide layer and their mixtures, enamels, phosphates and sulphates
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    • C23C28/321Coatings combining at least one metallic layer and at least one inorganic non-metallic layer including at least one pure metallic layer with at least one metal alloy layer
    • C23C28/3215Coatings combining at least one metallic layer and at least one inorganic non-metallic layer including at least one pure metallic layer with at least one metal alloy layer at least one MCrAlX layer

Definitions

  • the invention relates to a layer system with a two-layer ceramic layer for thermal insulation, which has recesses.
  • High-temperature components such as turbine blades are with
  • Protective coatings are provided to protect against corrosion, oxidation and heat.
  • Various metallic alloys such as MCrAlY and various ceramic systems based on zirconium oxide are used.
  • thermal barrier coatings In order to enable use at even higher temperatures, improved thermal barrier coatings have to be found which have a low release behavior.
  • FIGS 1 to 4 show embodiments of the invention.
  • the figures and the description represent only embodiments of the invention.
  • a layer system 1 comprises a metallic substrate 4, in particular of a nickel- or cobalt-based superalloy (FIGS. 1-4).
  • a metallic adhesion promoter layer 7 ⁇ , 7 ⁇ ⁇ , 7 ⁇ ⁇ ⁇ , (Fig. 1-4) is applied, in particular based on NiCoCrAlY.
  • an oxide layer is formed on this adhesion promoter layer ⁇ ⁇ ⁇ 7 ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ .
  • a ceramic bonding layer in particular zirconium oxide layer is 10 (1-4 Fig.) Is applied as bonding layer outer ceramic layers 22 (Fig. 4), 13 (Fig. 1-3 ) serves.
  • the zirconium oxide layer 10 as a ceramic bonding layer is at least partially stabilized, in particular partially stabilized by yttrium, very particularly in an amount of 8% by weight (FIGS. 1-4).
  • the outer ceramic layer 13 ( Figures 1-4) has a
  • Gadoliniumzirkonat in particular, it has at least 90% gadolinium zirconate.
  • the ceramic layers 10, 22, 13 (FIGS. 1-4) have recesses 16 that extend through the layers 10, 22, 13, but preferably do not have the adhesion promoter layer 7 ⁇ , 7 ⁇ ⁇ , 7 ⁇ ⁇ ⁇ , to reach.
  • These depressions 16 may be "densely cracked" (DVC), ie have elongated micro or macrocracks, or may be removed by appropriate ablation processes
  • FIG. 2 shows a further layer system 1 'according to the invention, in which, starting from FIG. 1, the adhesion promoter layer 7' is structured, ie has elevations 19. These elevations 19 or recesses (engineered surface) therebetween may have been produced during coating by corresponding shading devices or may be produced by a subsequent processing, for example by means of subsequent shading. B. by irradiation, in particular with a laser beam or a water jet.
  • the elevations 19 are not given or generated by the roughness of the adhesion promoter layer 7 ⁇ ⁇ , 7 ⁇ ⁇ ⁇ , 7 ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ .
  • the elevations 19 are preferably present only locally (FIGS. 2-4).
  • the depressions 16 preferably do not reach the metallic adhesion promoter layer 1 7 ⁇ ⁇ ⁇ , 7 (FIGS. 1-4).
  • FIG. 4 shows, starting from FIG. 2, a ceramic intermediate layer 22 between the ceramic bonding layer 10 and the outer ceramic layer 13.
  • the depressions 16 may also extend through the intermediate layer 22.
  • the ceramic intermediate layer 22 comprises a mixture of zirconium oxide, in particular of a partially stabilized
  • Zirconia and a pyrochlore material which is preferably gadolinium zirconate.
  • the intermediate layer 22 can also be present starting from FIG.
  • FIG. 3 shows a further exemplary embodiment which can be applied to FIGS. 1, 2 and 4 and is shown here only by way of example on the basis of FIG.
  • the surface of the outer ceramic layer 13 and / or the depressions 16 are here provided or filled with a further protective material 25, which preferably also penetrates into the depressions 16.
  • This protective material 25 contains at least aluminum (Al) but may contain further metallic additives such as zirconium (Zr), magnesium (Mg), tantalum (Ta), titanium (Ti), hafnium (Hf) and / or niobium (Nb) and additives of Silicon (Si), germanium (Ge), gallium (Ga) and / or boron (B) or other ceramic additives.
  • metallic additives such as zirconium (Zr), magnesium (Mg), tantalum (Ta), titanium (Ti), hafnium (Hf) and / or niobium (Nb) and additives of Silicon (Si), germanium (Ge), gallium (Ga) and / or boron (B) or other ceramic additives.
  • This layer of the material 25 is preferably applied in a metallic slurry and then preferably pre-oxidized before the layer system 1 ⁇ ⁇ ⁇ is used.

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Abstract

Durch die Verwendung von einer strukturierten zweilagigen TBC können Schichtsysteme bei höheren Temperaturen eingesetzt werden, ohne dass ein erhöhtes Risiko einer Abplatzung besteht.

Description

Segmentiertes zweilagiges Schichtsystem
Die Erfindung betrifft ein Schichtsystem mit einer zweilagi- gen keramischen Schicht zur Wärmedämmung, die Vertiefungen aufweist.
Hochtemperaturbauteile wie Turbinenschaufeln werden mit
Schutzbeschichtungen versehen, um die gegen Korrosion, Oxida- tion und Wärme zu schützen. Dabei werden verschiedene metal- lische Legierungen wie MCrAlY und verschiedene keramische Systeme auf der Basis Zirkonoxid verwendet.
Um den Einsatz bei noch höheren Temperaturen zu ermöglichen, müssen verbesserte Wärmedämmschichten gefunden werden, die ein geringes Ablöseverhalten aufweisen.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung ein Schichtsystem aufzuzeigen, das oben genanntes Problem löst. Die Aufgabe wird gelöst durch ein Schichtsystem gemäß Anspruch 1.
In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Maßnahmen aufgelistet, die beliebig miteinander kombiniert werden kön- nen, um weitere Vorteile zu erzielen.
Die Figuren 1 bis 4 zeigen Ausführungsbeispiele der Erfindung . Die Figuren und die Beschreibung stellen nur Ausführungsbeispiele der Erfindung dar.
Ein Schichtsystem 1 weist ein metallisches Substrat 4, insbesondere aus einer nickel- oder kobaltbasierten Superlegierung auf (Fig. 1 - 4) . Auf dem Substrat 4 ist eine metallische Haftvermittlerschicht 7λ, 7λ λ, 7λ λ λ, (Fig. 1-4) aufgebracht, insbesondere auf der Basis NiCoCrAlY. Auf dieser Haftvermittlerschicht Ί Ί Ί 7λ λ λ λ bildet sich bei der weiteren Beschichtung, im Betrieb oder durch be- wusste Oxidation eine Oxidschicht aus, die sogenannte TGO (nicht dargestellt) . Auf der Haftvermittlerschicht 1 7λ λ, 7λ λ λ, ist eine keramische Anbindungsschicht 10 (Fig. 1-4) , insbesondere Zirkonoxidschicht aufgebracht, die als Anbindungsschicht äußerer keramischer Schichten 22 (Fig. 4) , 13 (Fig. 1-3) dient. Die Zirkonoxidschicht 10 als keramische Anbindungsschicht ist zumindest teilstabilisiert, insbesondere durch Yttrium teilstabilisiert, ganz insbesondere mit einem Anteil von 8Gew.-% (Fig. 1 - 4) . Die äußere keramische Schicht 13 (Fig. 1-4) weist ein
Pyrochlormaterial auf, insbesondere auf der Basis
Gadoliniumzirkonat , ganz insbesondere weist sie zumindest 90% Gadoliniumzirkonat auf. Außerdem weisen die keramischen Schichten 10, 22, 13 (Fig. 1 - 4) Vertiefungen 16 auf, die sich durch die Schichten 10, 22, 13 erstrecken, vorzugsweise aber nicht die Haftvermittlerschicht 7λ, 7λ λ, 7λ λ λ, erreichen. Diese Vertiefungen 16 können „Dense Vertical Cracked" sein (DVC) , also längliche Mikro- oder Makrorisse aufweisen oder können durch entsprechende Abtragungsverfahren
(„engravings") , wie insbesondere durch einen Laser, nachträglich angebracht worden sein. In Figur 2 ist ein weiteres erfindungsgemäßes Schichtsystem 1' gezeigt, bei dem ausgehend von Figur 1 die Haftvermittlerschicht 7' strukturiert ist, also Erhöhungen 19 aufweist. Diese Erhöhungen 19 bzw. Vertiefungen (engineered surface) dazwischen können beim Beschichten durch entsprechende Ab- schattungsvorrichtungen erzeugt worden sein oder durch eine nachträgliche Bearbeitung z. B. durch eine Bestrahlung, insbesondere mit einem Laserstrahl oder einem Wasserstrahl .
Die Erhöhungen 19 sind nicht durch die Rauheit der Haftvermittlerschicht 7λ λ, 7λ λ λ, 7λ λ λ λ gegeben oder erzeugt.
Die Erhöhungen 19 sind vorzugsweise nur lokal vorhanden (Fig. 2-4) .
Die Vertiefungen 16 erreichen vorzugsweise nicht die metallische Haftvermittlerschicht 1 7λ λ λ, 7 (Fig. 1 - 4) .
Figur 4 zeigt ausgehend von Figur 2 eine keramische Zwischenschicht 22 zwischen keramischer Anbindungsschicht 10 und äußerer keramischer Schicht 13. Die Vertiefungen 16 können sich auch durch die Zwischenschicht 22 erstrecken.
Die keramische Zwischenschicht 22 weist eine Mischung aus Zirkonoxid, insbesondere aus einem teilstabilisiertem
Zirkonoxid und einem Pyrochlormaterial auf, welches vorzugsweise Gadoliniumzirkonat darstellt.
Die Zwischenschicht 22 kann auch ausgehend von Figur 1 vorhanden sein.
Figur 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, das angewendet werden kann auf die Figur 1, 2 und 4 und hier nur exemplarisch ausgehend von Figur 2 gezeigt ist. Die Oberfläche der äußereren keramischen Schicht 13 und/oder die Vertiefungen 16 werden hier mit einem weiteren Schutzmaterial 25 versehen oder gefüllt, das vorzugsweise auch in die Vertiefungen 16 eindringt.
Dieses Schutzmaterial 25 enthält zumindest Aluminium (AI) , kann jedoch weitere metallische Zusätze wie Zirkon (Zr) , Magnesium (Mg) , Tantal (Ta) , Titan (Ti) , Hafnium (Hf) und/oder Niob (Nb) sowie Zusätze von Silizium (Si) , Germanium (Ge) , Gallium (Ga) und/oder Bor (B) oder weitere keramische Zusätze aufweisen.
Diese Schicht aus dem Material 25 wird vorzugsweise in einem metallischen Schlicker aufgebracht und dann vorzugsweise be- wusst voroxidiert, bevor das Schichtsystem 1λ λ λ zum Einsatz gelangt.

Claims

Patentansprüche
1. Schichtsystem (1, 1 1' 1 ,
zumindest aufweisend:
ein metallisches Substrat (4) ,
insbesondere aus einer nickel- oder kobaltbasierten Super- legierung,
eine metallische Haftvermittlerschicht (7λ, 7λ λ, 7λ λ λ, insbesondere auf der Basis NiCoCrAlY,
eine keramische Anbindungsschicht (10) auf der Basis
Zirkonoxid,
insbesondere teilstabilisiertes Zirkonoxid,
auf der metallischen Haftvermittlerschicht (7λ, 7λ λ, 7λ λ λ, 7IV) ,
optional eine keramische Zwischenschicht (22) auf der keramischen Anbindungsschicht (10) ,
wobei die keramische Zwischenschicht (22) eine Mischung aus Zirkonoxid und Pyrochlor aufweist;
und eine äußere keramische Schicht (13),
insbesondere äußerste keramische Schicht (13) ,
auf der Basis Pyrochlor,
insbesondere Gadoliniumzirkonat ,
wobei Vertiefungen (16) durch zumindest eine keramische Schicht (10, 22, 13) vorhanden sind.
2. Schichtsystem nach Anspruch 1,
bei dem die metallische Haftvermittlerschicht (7λ λ, 7λ λ λ, 7λ λ λ λ) strukturiert ausgebildet ist,
insbesondere Erhöhungen (19) aufweist,
die (19) insbesondere nur lokal vorhanden sind. Schichtsystem nach einem oder beiden der Ansprüche 1 oder 2 ,
bei dem auf der äußeren Schicht (13) und/oder in den Vertiefungen (16) der äußeren Schichten (13, 22) eine zumindest aluminiumhaltige Beschichtung (25) aufgebracht ist, die vorzugsweise voroxidiert wurde.
Schichtsystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2 oder 3 ,
bei dem die Vertiefungen (16) der keramischen Schichten (10, 22, 13) durch Laserbearbeitung erzeugt werden.
Schichtsystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2, 3 oder 4,
bei dem die äußere keramische Schicht (13) ein
Pyrochlormaterial aufweist,
insbesondere auf der Basis Gadoliniumzirkonat ,
ganz insbesondere zumindest 90% Gadoliniumzirkonat aufweisend .
Schichtsystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2, 3, 4 oder 5,
bei dem die Vertiefungen (16) längliche Risse darstellen.
Schichtsystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2 , 3 , 4 , 5 oder 6 ,
bei dem sich die Vertiefungen (16) nicht bis zur metallischen Haftvermittlerschicht (7λ, 7λ λ, 7λ λ λ, 7ΝΪΪ erstrecken .
Schichtsystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2, 3, 4 ,5, 6 oder 7,
das auf ein Turbinenbauteil aufgebracht ist. Schichtsystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2, 3,4 ,5 6, 7 oder 8,
bei dem die Vertiefungen (16) nachträglich erzeugt werden, insbesondere durch einen Laser.
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