WO2022174996A1 - Keramisches material, pulver sowie schichtsystem - Google Patents

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Definitions

  • the invention relates to a ceramic material and a powder that can be used for ceramic layer systems.
  • Ceramics generally have a high temperature stability and are therefore often used as ceramic coatings on high-temperature components, such as for turbines, in particular for gas turbines.
  • the object is achieved by a ceramic material according to claim 1, a ceramic powder according to claim 17 and a layer system according to claim 18.
  • Ceramic layers based on zirconium oxide with stabilizers are known, with stabilized or fully stabilized zirconium oxide often being used here because of its better thermal stability.
  • the aim of the idea is to use partially stabilized zirconium oxide with improved stability, in particular thermal stability, namely a ceramic material based on zirconium oxide (ZrCh), having: 1.0% by weight to 8.0% by weight Basic stabilizers: in particular with 2.0% to 8.0% by weight base stabilizers; yttrium oxide (Y2O3), and/or
  • hafnium oxide HfCh
  • Y2O3 yttrium oxide
  • E ⁇ Ck erbium oxide
  • Ytterbium oxide with a proportion of 0.2% by weight to 20.0% by weight, in particular with 1.0% by weight to 10.0% by weight, very particularly with 2.0% by weight to 9.0% by weight, and each optional aluminum oxide (AI2O3) 0.1% - 2.0%, and permitted impurity levels (each max.): calcium oxide (CaO) 0.1% - 0.2%,
  • Iron oxide (Fe203) 0.1% - 0.2%
  • Yttrium oxide (Y2O3) and hafnium oxide (HfCk) are preferably used as base stabilizers. Likewise, only yttrium oxide (Y2O3) can be used as a base stabilizer.
  • the ceramic material preferably comprises 2.5% to 5.5% by weight yttrium oxide (Y2O3), in particular 3.0% to 5.0% by weight yttrium oxide (Y2O3), especially 3.5% to 4.0% by weight. % yttria (Y2O3) to achieve good phase stability.
  • the ceramic material also preferably has hafnium oxide (HfO 2 ) > 2.0% by weight to 4.0% by weight, in particular 2.2% by weight to 4.0% by weight hafnium oxide (HfO 2 ), very particularly 2.4% by weight to 3 .0% by weight hafnium oxide (HfO2).
  • hafnium oxide (HfO 2 ) content is 0.2% by weight to ⁇ 2.0% by weight, in particular 0.2% by weight to 1.8% by weight hafnium oxide (HfCk), especially 0 .2% by weight to 1.6% by weight of hafnium oxide (HfO 2 ).
  • Secondary particles such as aluminum oxide (AI2O3) can be present with a proportion of 0.2% by weight to 1.5% by weight aluminum oxide (AI2O3), in particular from 0.2% by weight to 1.2% by weight.
  • the proportion of aluminum oxide (AI2O3) can also be 1.5% by weight to 3.0% by weight aluminum oxide (AI2O3), in particular >2.0% by weight to 2.5% by weight aluminum oxide (AI2O3).
  • ytterbium oxide (Yb 2 0 3) is preferably used as additional stabilizer.
  • compositions are therefore Zr0 2 -Hf0 2 -Y 2 03-Yb 2 C>3 or also Zr0 2 -Hf0 2 -Y 2 03-Yb 2 03-Al 2 03.
  • the weight of the additional stabilizers is preferably 5.5% by weight to 8.5% by weight ytterbium oxide (Yb 2 0 3) , in particular 6.0% by weight and to 8.0% by weight ytterbium oxide (Yb 2 0 3) , especially 6 .5% by weight to 7.5% by weight ytterbium oxide (Yb 2 0 3) , or
  • a ceramic powder has, in particular, consists of a composition of a material according to the above lists with or without a binder.
  • An advantageous layer system has a metallic sub strate, optionally a metallic adhesion promoter layer and at least one ceramic layer based on the ceramic material according to the invention.
  • a metallic adhesion promoter layer between the ceramic mix layer and the metallic substrate is used for advantageous adhesion.
  • a ceramic sub-layer (not the TGO) under the ceramic mix layer made of a ceramic material is at least 20% thinner and preferably has 8YSZ, ie with 3 mol% to 4 mol% yttria-stabilized zirconium oxide.
  • Yttrium oxide is definitely used as a stabilizer.
  • This ceramic material can be produced as a powder, so that further additives can be present, such as when using abrasive layers which have cubic boron nitride or other abrasive particles.
  • a ceramic layer 10 is applied to metal, with nickel or cobalt-based superalloys preferably being used, a metallic adhesive layer 7 forming aluminum oxide being present in between.
  • the metallic adhesion promoter layer is preferably an aluminide, platinum aluminide or represents a NiCoCrAl layer as the basis.
  • the ceramic layer made of the ceramic material can be produced by means of EB-PVD, plasma spraying (APS, . . . ) and has a columnar structure or a DVC (dense decay cracked) structure.
  • the layer 10 preferably has a layer thickness of 100 ⁇ m to 1000 ⁇ m.
  • this ceramic layer 10 can also have a ceramic sub-layer 13 which clearly differs from the ceramic layer 16, ie has no Yb2Ü3 and/or no Er2 ⁇ 03.
  • the layer thickness of the ceramic sub-layer 13 is at least 20% thinner than that of the ceramic material of the ceramic layer 16 according to the invention.
  • the ceramic sub-layer has 8YSZ, i.e. with 3mol% to 4mol% yttrium-stabilized zirconium oxide.

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Abstract

Durch die Auswahl von bestimmten Stabilisatoren und einen angepassten Anteil wird ein verbessertes keramisches Material zur Wärmedämmung erzielt: Basis von Zirkonoxid (ZrO2) aufweisend : 1,0Gew.% bis 9,0Gew.% Basis-Stabilisatoren: Yttriumoxid (Y2O3), Hafniumoxid (HfO2) wobei zumindest Yttriumoxid (Y2O3) verwendet wird, sowie zumindest einer der Zusatz-Stabilisatoren: Erbiumoxid (Er2O3) und/ oder Ytterbiumoxid (Yb2O3) mit einem Anteil von 0,2Gew.% bis 20Gew.%.

Description

Beschreibung
Keramisches Material, Pulver sowie Schichtsystem
Die Erfindung betrifft ein keramisches Material und ein Pul ver, das für keramische Schichtsysteme verwendet werden kann.
Keramiken weisen im Allgemeinen eine hohe Temperaturstabili tät auf und werden daher oft als keramische Beschichtungen auf Hochtemperaturbauteilen, wie für Turbinen, insbesondere für Gasturbinen verwendet.
Es ist das stetige Bestreben die Wärmedämmeigenschaften des keramischen Materials zu verbessern.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung oben genannte Aufgabe zu lösen.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein keramisches Material nach Anspruch 1, ein keramisches Pulver nach Anspruch 17 und ein Schichtsystem nach Anspruch 18.
Keramische Schichten auf der Basis Zirkonoxid mit Stabilisa toren sind bekannt, wobei hier oft stabilisiertes oder voll stabilisiertes Zirkonoxid aufgrund seiner besseren thermi schen Stabilität verwendet wird.
Ziel der Idee ist es aber, teilstabilisiertes Zirkonoxid mit einer verbesserten, insbesondere thermischen Stabilität zu verwenden, nämlich ein keramisches Material auf der Basis von Zirkonoxid (ZrCh), aufweisend: l,0Gew.% bis 8,0Gew.% Basis-Stabilisatoren: insbesondere mit 2,0Gew.% bis 8,0Gew.% Basis-Stabilisatoren; Yttriumoxid (Y2O3), und/oder
Hafniumoxid (HfCh), wobei zumindest Yttriumoxid (Y2O3) verwendet wird, sowie zumindest einer der Zusatz-Stabilisatoren: Erbiumoxid (E^Ck) und/oder
Ytterbiumoxid (Yb2Ck) mit einem Anteil von 0,2Gew.% bis 20,0Gew.%, insbesondere mit l,0Gew.% bis 10,0Gew.%, ganz insbesondere mit 2,0Gew.% bis 9,0Gew.%, sowie jeweils optional Aluminiumoxid (AI2O3) 0,1% - 2,0%, und zugelassene Verunreinigungslevel (jeweils max.): Kalziumoxid (CaO) 0,1% - 0,2%,
Eisenoxid (Fe203) 0,1% - 0,2%,
Magnesiumoxid (MgO) 0,1% - 0,2%,
Siliziumoxid (S1O2) 0,1% - 0,3%,
Titanoxid (TiCk) 0,1% - 0,2%.
Vorzugsweise werden Yttriumoxid (Y2O3) und Hafniumoxid (HfCk) als Basis-Stabilisatoren verwendet. Ebenso kann auch nur Yttriumoxid (Y2O3) als Basis-Stabilisator verwendet werden.
Das keramische Material weist vorzugsweise 2,5Gew.% bis 5,5Gew.% Yttriumoxid (Y2O3), insbesondere 3,0Gew.% bis 5,0Gew.% Yttriumoxid (Y2O3), ganz insbesondere 3,5Gew.% bis 4,0Gew.% Yttriumoxid (Y2O3) auf, um eine gute Phasenstabili tät zu erzielen.
Das keramische Material weist ebenso vorzugsweise Hafniumoxid (Hf02) > 2,0Gew.% bis 4,0Gew.% auf, insbesondere 2,2Gew.% bis 4,0Gew.% Hafniumoxid (Hf02), ganz insbesondere 2,4Gew.% bis 3,0Gew.% Hafniumoxid (Hf02).
Ebenso vorteilhaft ist ein keramisches Material, bei dem der Gehalt an Hafniumoxid (Hf02) 0,2Gew.% bis <2,0Gew.% beträgt, insbesondere 0,2Gew.% bis l,8Gew.% Hafniumoxid (HfCk), ganz insbesondere 0,2Gew.% bis l,6Gew.% Hafniumoxid (Hf02) be trägt. Sekundärpartikel wie Aluminiumoxid (AI2O3) können mit einem Anteil von 0,2Gew.% bis l,5Gew.% Aluminiumoxid (AI2O3) vor handen sein, insbesondere von 0,2Gew.% bis l,2Gew.%.
Ebenso kann der Anteil an Aluminiumoxid (AI2O3) auch l,5Gew.% bis 3,0Gew.% Aluminiumoxid (AI2O3), insbesondere >2,0Gew.% bis 2,5Gew.% Aluminiumoxid (AI2O3) betragen.
Als Zusatz-Stabilisatoren wird vorzugsweise nur Ytterbiumoxid (Yb203) verwendet.
Andere vorteilhafte Varianten sind als Zusatz-Stabilisatoren nur Erbiumoxid (Er2C>3) oder dass als Zusatz-Stabilisatoren nur Ytterbiumoxid (Yb2C>3) und Erbiumoxid (Er2C>3) verbunden sind.
Vorteilhafte Zusammensetzungen sind also Zr02-Hf02-Y203-Yb2C>3 oder auch Zr02-Hf02-Y203-Yb203-Al203.
Die Gewichte der Zusatzstabilisatoren betragen vorzugsweise 5,5Gew.% bis 8,5Gew.% Ytterbiumoxid (Yb203) , insbesondere 6,0Gew.-& bis 8,0Gew.% Ytterbiumoxid (Yb203) , ganz insbeson dere 6,5Gew.% bis 7,5Gew.% Ytterbiumoxid (Yb203) , bzw.
2,0Gew.% bis 4,0Gew.% Erbiumoxid (Er203) , insbesondere 2,5Gew.% bis 3,5Gew.% Erbiumoxid (Er203) .
Für die Anteile untereinander gilt insbesondere:
(8.0 - x)Gew.% Y203 + (2-4)xGew.% Yb203/Er203, insbesondere (6.0 - x)Gew.% Y203 + (2-4)xGew.% Yb203/Er203, wobei x den Gewichtsanteil der Zusatzstabilisatoren dar stellt.
Ein keramisches Pulver weist auf, insbesondere besteht aus einer Zusammensetzung eines Materials gemäß obigen Auflistun gen mit oder ohne Binder.
Ein vorteilhaftes Schichtsystem weist ein metallisches Sub strat, optional eine metallische Haftvermittlerschicht und zumindest eine keramische Schicht auf der Basis des erfin dungsgemäßen keramischen Materials auf.
Eine metallische Haftvermittlerschicht zwischen der kera mischen Schicht und dem metallischen Substrat, insbesondere auf der Basis NiCoCrAlY, dient zur vorteilhaften Haftung.
Eine keramische Unterschicht (nicht die TGO) unter der kera mischen Schicht aus einem keramischen Material ist mindestens 20% dünner ausgebildet und weist vorzugsweise 8YSZ auf, also mit 3mol% bis 4mol% Yttrium-stabilisiertes Zirkonoxid.
Yttriumoxid wird auf jeden Fall als Stabilisator verwendet.
Dieses keramische Material kann als Pulver hergestellt wer den, so dass noch weitere Zusätze vorhanden sein können wie bei der Verwendung von abrasiven Schichten, die kubisches Bornitrid oder andere abrasive Partikel aufweisen.
In einem Schichtsystem (Figur 1) wird eine keramische Schicht 10 auf Metall aufgebracht, wobei bei vorzugsweise verwendetem Nickel oder kobaltbasierten Superlegierungen eine metallische Haftschicht 7 dazwischen vorhanden ist, die Aluminiumoxid bildet.
Die metallische Haftvermittlerschicht ist vorzugsweise ein Aluminid, Platinaluminid oder als Basis eine NiCoCrAl-Schicht darstellt.
Die keramische Schicht aus dem keramischen Material kann mit tels EB-PVD, Plasmaspritzen (APS, ...) hergestellt werden und weist eine kolumnare Struktur auf oder eine DVC (Dense Ver fiele Cracked) Struktur auf.
Die Schicht 10 weist eine vorzugsweise Schichtdicke von lOOpm bis lOOOpm auf.
Wie in der Figur 2 gezeigt kann diese keramische Schicht 10 auch eine keramische Unterschicht 13 aufweisen, die sich deutlich von der keramischen Schicht 16 unterscheidet, d.h. kein Yb2Ü3 und/oder kein Er2<03 aufweist.
Die Schichtdicke der keramischen Unterschicht 13 jedoch min- destens 20% dünner ausgebildet ist als die des erfindungsge mäßen keramischen Materials der keramischen Schicht 16.
Die keramische Unterschicht weist 8YSZ auf, also mit 3mol% bis 4mol% Yttrium-stabilisiertes Zirkonoxid.

Claims

Patentansprüche
1. Keramisches Material auf der Basis von Zirkonoxid (ZrCd) aufweisend (in Gew.%): l,0Gew.% bis 8,0Gew.% Basis-Stabilisatoren: insbesondere mit 2,0Gew.% bis 8,0Gew.% Basis- Stabilisatoren:
Yttriumoxid (Y2O3), und/oder
Hafniumoxid (HfCb) wobei zumindest Yttriumoxid (Y2O3) verwendet wird, sowie zumindest einer der Zusatz-Stabilisatoren:
Erbiumoxid (E^Ch) und/oder
Ytterbiumoxid (Yb2C>3) mit einem Anteil von 0,2Gew.% bis 20,0Gew.%, insbesondere mit l,0Gew.% bis 10,0Gew.%, ganz insbesondere mit 2,0Gew.% bis 9,0Gew.%, sowie jeweils optional Aluminiumoxid (AI2O3) 0,1% - 2,0%, und zugelassene Verunreinigungslevel:
Kalziumoxid (CaO) max. 0,1% - 0,2%,
Eisenoxid (Fe203) max. 0,1% - 0,2%,
Magnesiumoxid (MgO) max. 0,1% - 0,2%,
Siliziumoxid (S1O2) max. 0,1% - 0,3%,
Titanoxid (T1O2) max. 0,1% - 0,2%.
2. Keramisches Material nach Anspruch 1, das Yttriumoxid (Y2O3) und Hafniumoxid (Hf02) als Basis- Stabilisatoren aufweist.
3. Keramisches Material nach Anspruch 1, das nur Yttriumoxid (Y2O3) als Basis-Stabilisator aufweist.
4. Keramisches Material nach einem oder mehreren der An sprüche 1, 2 oder 3, aufweisend 2,5Gew.% bis 5,5Gew.% Yttriumoxid (Y2O3), insbesondere 3,0Gew.% bis 5,0Gew.% Yttriumoxid (Y2O3), ganz insbesondere 3,5Gew.% bis 4,0Gew.% Yttriumoxid (Y2O3).
5. Keramisches Material nach einem oder mehreren der An sprüche 1, 2 oder 4, bei dem der Gehalt an Hafniumoxid (HfCb) > 2,0Gew.% bis 4,0Gew.% beträgt, insbesondere 2,2Gew.% bis 4,0Gew.% Hafniumoxid (HfCb), ganz insbesondere 2,4Gew.% bis 3,0Gew.% Hafniumoxid (HfCb).
6. Keramisches Material nach einem oder mehreren der An sprüche 1, 2 oder 4, bei dem der Gehalt an Hafniumoxid (HfCb) 0,2Gew.% bis <2,0Gew.% beträgt, insbesondere 0,2Gew.% bis l,8Gew.% Hafniumoxid (HfCb), ganz insbesondere 0,2Gew.% bis l,6Gew.% Hafniumoxid (HfCb) beträgt.
7. Keramisches Material nach einem oder mehreren der An sprüche 1, 2, 3, 4, 5 oder 6, bei dem der Gehalt an Aluminiumoxid (AI2O3) 0,2Gew.% bis l,5Gew.% Aluminiumoxid (AI2O3), insbesondere 0,2Gew.% bis l,2Gew.% Aluminiumoxid (AI2O3) beträgt.
8. Keramisches Material nach einem oder mehreren der An sprüche 1, 2, 3, 4, 5 oder 6, aufweisend l,5Gew.% bis 3,0Gew.% Aluminiumoxid (AI2O3), insbesondere >2,0Gew.% bis 2,5Gew.% Aluminiumoxid (AI2O3).
9. Keramisches Material nach einem oder mehreren der An sprüche 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 oder 8, das als Zusatz-Stabilisatoren nur Ytterbiumoxid (YbC>) aufweist.
10. Keramisches Material nach einem oder mehreren der An sprüche 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 oder 8, das als Zusatz-Stabilisatoren nur Erbiumoxid (E^Ch) auf weist.
11. Keramisches Material nach einem oder mehreren der An sprüche 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 oder 8, das als Zusatz-Stabilisatoren Ytterbiumoxid (Yb2C>3) und Erbiumoxid (E^Ch) aufweist.
12. Keramisches Material nach einem oder mehreren der An sprüche 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 oder 8, aufweisend, insbesondere bestehend aus Hf 02-Y203-Yb203-ZrC>2.
13. Keramisches Material nach einem oder mehreren der An sprüche 1 bis 9, aufweisend, insbesondere bestehend aus Hf 02-Y203-Yb203-Zr02-Al203.
14. Keramisches Material nach einem oder mehreren der An sprüche 1 bis 9 oder 11, 12 oder 13, aufweisend 5,5Gew.% bis 8,5Gew.% Ytterbiumoxid (Yb2C>3) , insbesondere 6,0 Gew.-& bis 8,0Gew.% Ytterbiumoxid (Yb2C>3) , ganz insbesondere 6,5Gew.% bis 7,5Gew.% Ytterbiumoxid (Yb203) .
15. Keramisches Material nach einem oder mehreren der An sprüche 1 bis 8 oder 10, 11, 12, 13 oder 14, aufweisend 2,0Gew.% bis 4,0Gew.% Erbiumoxid (E^Ch), insbesondere 2,5Gew.% bis 3,5Gew.% Erbiumoxid (E^Ch).
16. Keramisches Material nach einem oder mehreren der An sprüche 1 bis 15, aufweisend
(8.0 - x)Gew.% Y203 + (2-4)xGew.% Yb203/Er203, insbesondere (6.0 - x)Gew.% Y2O3 + (2-4)xGew.% Yb203/Er203.
17. Keramisches Pulver aufweisend, insbesondere bestehend aus, einer Zusammensetzung eines Materials gemäß einem oder meh reren der Ansprüche 1 bis 16.
18. Schichtsystem (1) zumindest aufweisend ein metallisches Substrat (4), optional eine metallische Haftvermittlerschicht (7) und zumindest eine keramische Schicht (13, 10) auf der Basis des erfindungsgemäßen Materials gemäß einem oder meh reren der Ansprüche 1 bis 16, oder hergestellt mittels eines Pulvers gemäß Anspruch 17.
19. Schichtsystem nach Anspruch 18, aufweisend eine metallische Haftvermittlerschicht (7) zwischen der ke ramischen Schicht (13, 10) und dem metallischen Substrat (4), insbesondere auf der Basis NiCoCrAlY, optional mit Silizium (Si), Rhenium (Re) und /oder Tantal (Ta).
20. Schichtsystem nach einem oder beiden der Ansprüche 18 oder 19, bei dem eine keramische Unterschicht (13) unter der kerami schen Schicht (10) aus einem Material gemäß einem oder meh reren der Ansprüche 1 bis 16, vorhanden ist, die mindestens 20% dünner ausgebildet ist und insbesondere 8YSZ aufweist, also mit 3mol% bis 4mol% Yttrium-stabilisiertes Zirkonoxid.
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