WO2017186547A1 - Hitzeschild mit äusserster yttriumoxidbeschichtung, verfahren zur herstellung und produkt - Google Patents

Hitzeschild mit äusserster yttriumoxidbeschichtung, verfahren zur herstellung und produkt Download PDF

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Arturo Flores Renteria
Helge Reymann
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Definitions

  • the invention relates to heat shields which have a full ceramic or which have coated metallic substrates and an outermost yttrium oxide layer, a method for the production and a product.
  • Ceramic heat shields can Herge ⁇ is made of solid ceramics and preferably have mullite as Mas ⁇ sivmaterial on.
  • a further coating such as aluminum oxide, may be present on the ceramic substrate.
  • thermoforming elements with a metallic substrate, in which on a metallic adhesion promoter layer is an alumina layer is present, a TBC, which serves to heat ⁇ insulation.
  • the ceramic heat shield elements made of solid ceramic white ⁇ sen are preferably made of mullite (2Al203xSi02) and / or alumina.
  • the mullite phases preferably have grains up to 1 mm and are distributed in a fine-grained matrix.
  • the mullite phase is not stable under hot gas conditions and decomposes above temperatures of 1673K under the influence of water vapor to aluminum oxide and Si (OH) 4 .
  • EBC erosion control layer
  • the alumina ⁇ layer is preferably applied by a plasma spray process, or other injection processes.
  • yttria forms yttrium aluminum garnate (YAG) by the strong bonding of alumina in the CHS and EBC layers, respectively.
  • YAG layer Yttriumgarnat thick layer
  • a solid ceramic heat shield 1 is Darge ⁇ represents.
  • the substrate 4 is made of solid ceramic such as above ⁇ be written and has mullite and / or alumina or before ⁇ preferably only aluminum oxide (Al 2 O 3) ( Figure 4: 4
  • 4 x is an aluminum oxide layer. 7 According to the invention, an yttrium oxide layer 10 is applied as the outermost layer. For pure alumina substrate (4 ⁇ ), the Aluminiumodix Anlagen 7 (FIG 4) can be omitted.
  • FIG. 2 shows a metallic heat shield 11 with a me ⁇ -metallic substrate 40 on which a metallic adhesion promoter ⁇ mid layer 42, in particular a NiCoCrAlY alloy with an aluminum oxide layer 70 is present, extending through deliberate oxidation of a metallic bond layer 42 and / or by applying an aluminum oxide layer has formed or is present.
  • a metallic adhesion promoter ⁇ mid layer 42 in particular a NiCoCrAlY alloy with an aluminum oxide layer 70 is present, extending through deliberate oxidation of a metallic bond layer 42 and / or by applying an aluminum oxide layer has formed or is present.
  • an yttrium oxide layer 101 is also present.
  • FIG. 3 shows a further exemplary embodiment 111 of the invention starting from FIG. 2, in which a ceramic heat-insulating layer (TBC) 80 is still present on the metallic adhesion promoter layer 42 with an aluminum oxide layer 71, as is known from ceramic protection systems of turbine blades.
  • TBC ceramic heat-insulating layer
  • an outermost yttrium oxide layer 100 is also present.
  • a ceramic-forming aluminum oxide (TGO) layer is also present between metallic primer layer 42 and TBC 80.
  • the yttrium oxide layer 10, 100, 101 or the yttria preferably has only yttrium oxide, in particular best ⁇ basis thereof.
  • the yttrium oxide or the yttrium oxide layer 10, 10 0, 101 is preferably applied directly on the alumina or on the Alumi niumoxid für 7, 70, 71.
  • an yttrium garnate layer is formed (FIG. 1 to FIG. 4).

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Abstract

Durch die Verwendung von Yttriumoxid auf Aluminiumoxid als Schicht oder Substratmaterial wird die Korrosions- und Erosionsbeständigkeit von keramischen Hitzeschildelementen verbessert.

Description

Hitzeschild mit äußerster Yttriumoxidbeschichtung, Verfahren zur Herstellung und Produkt
Die Erfindung betrifft Hitzeschilde, die eine Vollkeramik aufweisen oder die beschichtete metallische Substrate sowie eine äußerste Yttriumoxidschicht aufweisen, ein Verfahren zur Herstellung und ein Produkt.
Keramische Hitzeschilde können aus massiver Keramik herge¬ stellt werden und weisen dabei vorzugsweise Mullite als Mas¬ sivmaterial auf. Darüber hinaus kann eine weitere Beschich- tung wie Aluminiumoxid auf dem keramischen Substrat vorhanden sein .
Ebenso gibt es Hitzeschildelemente mit metallischem Substrat, bei dem auf einer metallischen Haftvermittlerschicht eine Aluminiumoxidschicht vorhanden ist, eine TBC, die zur Wärme¬ dämmung dient.
Jedoch kommt es je nach Porosität oder abrasivem Abtrag zu Erosion auf der ersten Stufe der nachgeschalteten Turbine des Verbrennungssystems, was unerwünscht ist.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung o.g. Problem zu lösen. Die Aufgabe wird gelöst durch ein keramisches Hitzeschild ge¬ mäß Anspruch 1, ein Verfahren nach Anspruch 8 sowie ein Produkt nach Anspruch 9.
In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Maßnahmen aufgelistet, die beliebig miteinander kombiniert werden kön¬ nen, um weitere Vorteile zu erzielen.
Die keramischen Hitzeschildelemente aus massiver Keramik wei¬ sen auf, bestehen vorzugsweise aus Mullite (2Al203xSi02) und/oder Aluminiumoxid.
Die Mullitephasen weisen vorzugsweise Körner bis zu 1mm auf und sind in einer feinkörnigen Matrix verteilt. Die Mullite- phase ist unter Heißgasbedingungen nicht stabil und zersetzt sich oberhalb Temperaturen von 1673K unter dem Einfluss von Wasserdampf zu Aluminiumoxid und Si(OH)4. Zum Schutz weisen daher die keramisch massiven Hitzeschilder (CHS) eine Erosionsschutzschicht (EBC) auf, die aus einer dünnen Lage von lOOym bis 400ym Aluminiumoxid besteht. Die Aluminiumoxid¬ schicht ist vorzugsweise durch einen Plasmaspritzprozess oder andere Spritzprozesse aufgebracht.
Durch die Verwendung von Yttriumoxid als äußerste Schutz¬ schicht auf dem Aluminiumoxid wird die Korrosions- und Ero¬ sionsbeständigkeit verbessert.
Das liegt daran, dass Yttriumoxid Yttriumaluminiumgarnat (YAG) bildet durch die starke Anbindung von Aluminiumoxid in dem CHS bzw. EBC-Schicht. Durch eine Wärmebehandlung oberhalb 1573K für vorzugsweise eine Stunde bildet sich eine hinrei¬ chend dicke Yttriumgarnat-Schicht (YAG-Schicht ) aus.
Es zeigen
Figur 1, 4 ein massives keramisches Hitzeschildelement,
Figur 2, 3 ein metallisches Hitzeschildelement.
Die Figuren und die Beschreibung stellen nur Ausführungsbeispiele der Erfindung dar.
In Figur 1 ist ein massives keramisches Hitzeschild 1 darge¬ stellt .
Das Substrat 4 besteht aus massiver Keramik wie oben be¬ schrieben und weist Mullite und/oder Aluminiumoxid oder vor¬ zugsweise auch nur Aluminiumoxid (AI2O3) auf (FIG 4: 4
1111) .
Auf dem Mullite oder auf dem Aluminiumoxid / Mullite des Sub¬ strats 4, 4xist eine Aluminiumoxidschicht 7 wie oben be¬ schrieben aufgebracht. Erfindungsgemäß wird eine Yttriumoxidschicht 10 als äußerste Schicht aufgebracht. Bei reinem Aluminiumoxidsubstrat (4λ) kann die Aluminiumodixschicht 7 (FIG 4) entfallen.
Figur 2 zeigt ein metallisches Hitzeschild 11 mit einem me¬ tallischen Substrat 40, auf dem eine metallische Haftver¬ mittlerschicht 42, insbesondere eine NiCoCrAlY-Legierung mit einer Aluminiumoxidschicht 70 vorhanden ist, die sich durch bewusste Oxidation einer metallischen Haftvermittlerschicht 42 und/oder unter Aufbringung einer Aluminiumoxidschicht gebildet hat bzw. vorhanden ist.
Als äußerste Schicht ist ebenfalls eine Yttriumoxidschicht 101 vorhanden.
Figur 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel 111 der Erfin dung ausgehend von Figur 2, bei dem noch eine keramische Wär medämmschicht (TBC) 80 auf der metallischen Haftvermittlerschicht 42 mit einer Aluminiumoxidschicht 71 vorhanden ist, wie es von keramischen Schutzsystemen von Turbinenschaufeln bekannt ist. Darüber hinaus ist ebenfalls eine äußerste Yttriumoxidschicht 100 vorhanden.
Eine sich keramisch bildende Aluminiumoxidschicht (TGO) ist auch zwischen metallischer Haftvermittlerschicht 42 und TBC 80 vorhanden.
Die Yttriumoxidschicht 10, 100, 101 oder das Yttriumoxid weist vorzugsweise nur Yttriumoxid auf, insbesondere beste¬ hend daraus .
Das bedeutet, es ist kein Yttriumoxid als Stabilisator von ZrÜ2 wie ein Y2O3 - ZrÜ2.
Das Yttriumoxid oder die Yttriumoxidschicht 10, 10 0, 101 ist vorzugsweise direkt auf dem Aluminiumoxid oder auf der Alumi niumoxidschicht 7, 70, 71 aufgebracht. Durch oben genannte Wärmebehandlung bildet sich eine Yttrium- garnatschicht aus (FIG 1 bis FIG 4) .

Claims

Patentansprüche
1. Hitzeschild (1, 11, 111, 1111),
aufweisend
Aluminiumoxid im Substrat (4, 4λ) oder als Schicht (7, 70, 71) auf einem Substrat (4, 40),
wobei Yttriumoxid,
insbesondere nur Yttriumoxid,
als äußerste Schicht (10, 100, 101) vorhanden ist,
insbesondere direkt auf dem Aluminiumoxid.
2. Massives keramisches Hitzeschild (1) nach Anspruch 1, bei dem das Material des Substrats (4) Mullite aufweist, mit einer zwischenliegenden Aluminiumoxidschicht (7) und einer äußersten Yttriumoxidschicht (10),
insbesondere direkt auf der Aluminiumoxidschicht (7), ganz insbesondere mit einer äußersten Schicht (10) nur aus Yttriumoxid.
Massives keramisches Hitzeschild (1) nach Anspruch 1 oder 2,
bei dem das Material des Substrats (4) Mullite und Alumini umoxid aufweist,
insbesondere daraus besteht.
Massives keramisches Hitzeschild (1111) nach Anspruch 1, bei dem das Material des Substrats (4λ) nur aus Aluminium¬ oxid besteht.
5. Hitzeschild (11, 111) nach Anspruch 1,
das zumindest aufweist
ein metallisches Substrat (40),
eine metallische Haftvermittlerschicht (42),
mit einer durch Oxidation gebildeten Aluminiumoxidschicht und/oder separat aufgebrachten Aluminiumoxidschicht (70, 71), auf der (70, 71) eine äußerste Yttriumoxidschicht (100, 101) aufgebracht ist,
insbesondere direkt auf der Aluminiumoxidschicht (70, 71), ganz insbesondere mit einer äußersten Schicht (100, 101) nur aus Yttriumoxid.
6. Hitzeschild nach Anspruch 5,
bei dem eine keramische Wärmedämmschicht (80),
insbesondere auf Zirkonoxidbasis ,
zwischen einer metallischen Haftvermittlerschicht (42) und Aluminiumoxidschicht (71) vorhanden ist.
7. Hitzeschild nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6,
bei dem die Yttriumoxidschicht (100, 101) nur Yttriumoxid aufweist,
insbesondere daraus besteht,
und/oder nur Yttriumoxid verwendet wird.
8. Verfahren zur Herstellung eines Hitzeschilds (1, 11, 111, 1111),
bei dem ausgehend von einem Hitzeschild nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2, 3, 4, 5, 6 oder 7 eine Wärme- behandlung bei mindestens 1573K,
insbesondere für mindestens eine Stunde,
durchgeführt wird.
9. Hitzeschild (1, 11, 111, 1111), hergestellt nach Anspruch 8.
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