WO2018166748A1 - Cmc mit max-phasen und keramikschicht - Google Patents

Cmc mit max-phasen und keramikschicht Download PDF

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cmc
ceramic
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Nikolai Arjakine
Bernd Burbaum
Arturo Flores Renteria
Jacek Grodzki
Robert Herfurth
Matthias Jungbluth
Eike Kohlhoff
Thomas Lorenz
Khaled Maiz
Tobias MEIS
Torsten Neddemeyer
Britta Stöhr
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    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING 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
    • C23C28/00—Coating 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
    • C23C28/04—Coating 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 only coatings of inorganic non-metallic material
    • C23C28/042—Coating 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 only coatings of inorganic non-metallic material including a refractory ceramic layer, e.g. refractory metal oxides, ZrO2, rare earth oxides

Definitions

  • the invention relates to a ceramic thermal barrier coating system for CMC components, are used in the MAX phases as a primer layer.
  • the damage tolerance and low fracture toughness of the Kera mix materials are substantially reinforced by fibers
  • the mechanical strength is limited by grain growth ⁇ and reaction processes of the matrix with the environment at temperatures higher 1473K. Therefore, the use of ceramic thermal barrier coating systems TBC as known in nickel-based superalloy sheet systems is also necessary.
  • the problem is to find a suitable bonding layer and oxidation protection layer for the CMC.
  • the object is achieved by a thermal barrier coating system according to claim 1.
  • the idea is to use aluminum- or silicon-based MAX phases as adhesion promoter layer to the outer ceramic thermal barrier coating.
  • the application of the MAX-phase to the CMC also increases the Ge ⁇ felbeparmaschine the CMC, in particular with respect to cracking and erosion.
  • cost thermal spraying processes may be used herein for applying the primer layer and the heat insulation layer ⁇ .
  • Zirconia-based, pyrochlore-based ceramics can be used as the single-layer or double-layer system as a ceramic thermal barrier coating.
  • the figure shows a thermal barrier coating system.
  • An advantageously used CMC substrate 4 comprises ceramic fibers coated with ceramic fibers, in particular fibers of mullite or aluminum oxide and / or mullite / aluminum oxide.
  • the matrix material of the CMC substrate 4 is preferably aluminum oxide and / or mullite.
  • MAX phases have hexagonal carbides or nitrides with the general formula M m + i A n , where n can be between 1 and 3.
  • M is an early transition metal such as scandium, titanium, Vana ⁇ dium, chromium, zirconium, niobium, molybdenum, hafnium and / or tantalum.
  • A is an A-group metal, so mostly purple and IVa or Group 13 and 14 elements such as aluminum, silicon, phosphorus, sulfur, gallium, germanium, arsenic, cadmium, indium, tin, tellurium, lead and X is carbon or nitrogen.
  • ⁇ which preferably consists only of MAX phases, in particular ⁇ special has only one MAX phase.
  • a ceramic layer 10 is present, preferably as the outermost layer. This is through a
  • the ceramic thermal barrier coating 10 preferably has
  • the ceramic thermal barrier coating 10 is preferably also formed in two layers, in particular, the ceramic Wärhe ⁇ medämm Anlagen 10 vollstabilisertes zirconium oxide, which is applied in particular on a partially stabilized zirconium oxide.

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Abstract

Durch die Verwendung einer silizium- oder aluminiumbasierten Haftvermittlerschicht (7) einer MAX-Phase wird eine gute Anbindung einer keramischen Wärmedämmschicht (10) an ein CMC-Substrat (4) erreicht sowie ein guter Oxidationsschutz erzielt.

Description

CMC mit MAX-Phasen und Keramikschicht
Die Erfindung betrifft ein keramisches Wärmedämmschichtsystem für CMC Bauteile, bei dem MAX-Phasen als Haftvermittlerschicht verwendet werden.
Keramische Matrixkomposite (CMC) , oxidbasiert oder auch nicht-oxidbasierte SIC/SIC, weisen eine höhere Temperatur¬ stabilität als Superlegierungen auf sowie einen höheren Oxi- dationswiderstand . Deshalb sind diese Materialien interessant bei dem Einsatz bei hohen Temperaturen wie bei Turbinen.
Die Schadenstoleranz und die geringe Bruchzähigkeit der kera mischen Materialien werden wesentlich verstärkt durch Fasern Jedoch wird die mechanische Festigkeit begrenzt durch Korn¬ wachstum und Reaktionsprozesse der Matrix mit der Umgebung bei Temperaturen höher 1473K. Daher ist die Verwendung von keramischen Wärmedämmschichtsystemen TBC wie sie bei nickelbasierten Superlegierungsschichtsystemen bekannt sind auch notwendig .
Das Problem besteht darin, eine geeignete Anbindungsschicht und Oxidationsschutzschicht für die CMC zu finden.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Wärmedämmschichtsystem gemäß Anspruch 1.
In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Maßnahmen aufgelistet, die beliebig miteinander kombiniert werden kön nen, um weitere Vorteile zu erzielen.
Die Idee besteht darin, aluminium- oder siliziumbasierte MAX- Phasen als Haftvermittlerschicht zur äußeren keramischen Wär- medämmschicht zu verwenden.
Eine gute Anbindung besteht durch die chemische Verbindung zwischen einem Substrat aus CMC und einer keramischen Wärme- dämmschicht durch die Diffusion von Aluminium der MAX-Max- Phase mit dem CMC und die Bildung einer Aluminiumoxidgrenzschicht zur äußeren TBC hin sowie durch die Reduzierung des Unterschieds der thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwi- sehen CMC und TBC durch den Ausdehnungskoeffizienten des Bondcoats in Form der MAX-Phasen.
Das Aufbringen der MAX-Phase auf die CMC erhöht zudem die Ge¬ samtbeständigkeit der CMC, insbesondere bezüglich Rissen und Erosion .
Ebenso können hier kostengünstige thermische Spritzverfahren verwendet werden, um die Haftvermittlerschicht und die Wärme¬ dämmschicht aufzubringen. Als keramische Wärmedämmschicht können zirkonoxidbasierte, pyrochlorbasierte Keramiken als Einfach- oder Zweifachschichtsystem verwendet werden.
Die Figur zeigt ein Wärmedämmschichtsystem 1.
Die Figur und die Beschreibung stellen nur Ausführungsbeispiele der Erfindung dar.
Ein vorteilhaft verwendetes CMC-Substrat 4 weist von Keramik umhüllte Keramikfasern auf, insbesondere Fasern aus Mullite oder Aluminiumoxid und/oder Mullite/Aluminiumoxid.
Das Matrixmaterial des CMC-Substrats 4 ist vorzugsweise Alu- miniumoxid und/oder Mullite.
Eine Anwendung bei SiC/SiC CMC ist auch von Vorteil.
MAX-Phasen weisen hexagonale Karbide oder Nitride auf mit der allgemeinen Formel Mm+iAn , wobei n zwischen 1 und 3 sein kann. M ist ein frühes Übergangsmetall wie Scandium, Titan, Vana¬ dium, Chrom, Zirkon, Niob, Molybdän, Hafnium und/oder Tantal. A ist ein A-Gruppen-Metall , also größtenteils lila und IVa oder Gruppe 13 und 14 Elemente, wie zum Beispiel Aluminium, Silizium, Phosphor, Schwefel, Gallium, Germanium, Arsen, Kadmium, Indium, Zinn, Tellur, Blei und X ist Kohlenstoff oder Stickstoff .
Beispiele für MAX-Phasen sind:
- Cr2AlC
- Mo2AlC
- Zr2AlC
- Nb2AlC
- Ti3SiC2
- T13AIC2
- Ti2AlC. Auf dem Substrat 4 ist eine Haftvermittlerschicht 7 aufge¬ bracht, die vorzugsweise nur aus MAX-Phasen besteht, insbe¬ sondere nur eine MAX-Phase aufweist.
Als äußere Schicht ist eine keramische Schicht 10 vorhanden, vorzugsweise als äußerste Schicht. Diese wird durch ein
Spritzverfahren aufgebracht.
Die keramische Wärmedämmschicht 10 weist vorzugsweise
teilstabilisertes Zirkonoxid auf: 8-YSZ.
Die keramische Wärmedämmschicht 10 ist vorzugsweise auch zweillagig ausgebildet, insbesondere kann die keramische Wär¬ medämmschicht 10 vollstabilisertes Zirkonoxid aufweisen, die insbesondere auf einer teilstabilisierten Zirkonoxidschicht aufgebracht ist.

Claims

Patentansprüche
1. Keramisches Wärmedämmschichtsystem (1),
zumindest aufweisend:
ein keramisches Substrat (4),
insbesondere aus CMC,
ganz insbesondere ein CMC auf Oxidbasis,
eine Haftvermittlerschicht (7) auf dem keramischen Substrat (4) ,
zumindest aufweisend:
zumindest eine MAX-Phase,
insbesondere nur eine MAX-Phase,
insbesondere mit einer silizium- und/oder aluminiumbasierten MAX-Phase,
sowie einer äußeren, keramischen Wärmedämmschicht (10), die insbesondere zirkonoxid- oder pyrochlorbasiert ist, auf der Haftvermittlerschicht (7).
2. Keramisches Wärmedämmschichtsystem (1) nach Anspruch 1, bei dem das CMC-Substrat (4) Aluminiumoxid aufweist, insbesondere daraus besteht.
3. Keramisches Wärmedämmschichtsystem (1) nach einem oder beiden der Ansprüche 1 oder 2,
bei dem das CMC-Substrat (4) Fasern aus Aluminium- oxid/Mullite und/oder Aluminiumoxid und/oder Mullite auf¬ weist.
4. Keramisches Wärmedämmschichtsystem (1) nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2 oder 3,
bei dem die MAX-Phase Cr2AlC, Mo2AlC, Zr2AlC, Nb2AlC, Ti3SiC2, Ti3AlC2 und/oder Ti2AlC aufweist.
5. Keramisches Wärmedämmschichtsystem (1) nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2, 3 oder 4,
bei dem die keramische Wärmedämmschicht (10)
teilstabilisertes Zirkonoxid aufweist.
6. Keramisches Wärmedämmschichtsystem (1) nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2, 3, 4 oder 5,
bei dem die keramische Wärmedämmschicht (10) zweillagig ausgebildet ist.
7. Keramisches Wärmedämmschichtsystem (1) nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2, 4, 5 oder 6,
bei dem die keramische Wärmedämmschicht (10)
vollstabilisertes Zirkonoxid aufweist,
insbesondere auf einer teilstabilisierten Zirkonoxid- Schicht .
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