Wärmedämmschicht

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Wärmedämmschicht gemäß Anspruch 1.

[0002] Wärmedämmschichten werden auf wärmebelastete Bauteile, wie z.B. Turbinenschaufeln in Gasturbinen aufgebracht, um ein wärmeempfindliches, bspw. metallisches Substrat dieser Bauteile vor Wärme zu schützen. Die Wärmedämmschicht besteht bspw. dabei aus Zirkonoxid oder teilstabilisiertem Zirkonoxid mit Yttriumoxid.

[0003] Zwischen der Wärmedämmschicht und dem Substrat ist oft noch eine Haftvermittlerschicht MCrAlY oder Diffusionsschicht aufgebracht.

[0004] Die EP 1 029 101 B1 zeigt eine Wärmedämmschicht, die die Zusammensetzung LaAlO₃, also ein Perowskit, aufweist.

[0005] Die US-PS 5,310,575 zeigt ein Material bei dem Zirkonoxid in einer Matrix aus einem Spinell beigemischt ist.

[0006] Die GB 745,257 offenbart eine Wärmedämmschicht, wobei die Wärmedämmschicht ein Spinell, ein Pyrochlor oder Zirkonoxid ist.

[0007] Die US 5,914,189 offenbart eine Wärmedämmschicht, die eine Mischung eines Spinells und Calciumzirkonat (CaZrO₃) ist.

[0008] Aufgrund der unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten von Wärmedämmschicht und Substrat während des Betriebes kommt es zu Spannungen, die jedoch nicht zum Versagen der Schicht führen, da eine gewisse Dehnungstoleranz durch eine gezielt eingestellte Mikroporosität der Wärmedämmschicht beim Plasmaspritzen gegeben ist. Bei PVD-Schichten (Physical vapour deposition) mittels Elektronenstrahlen (EB-PVD) gibt es eine dehnungstolerante Stängelstruktur. Jedoch verlieren diese Schichten aufgrund der Sinterung bei den hohen Einsatztemperaturen um bzw. über 1000°C ihre Dehnungstoleranz, wodurch die Gefahr des Versagens steigt.

[0009] Es ist daher Aufgabe der Erfindung eine Wärmedämmschicht aufzuzeigen, die das oben genannte Problem überwindet.

[0010] Die Aufgabe wird durch eine Wärmedämmschicht gemäß Anspruch 1 gelöst.

[0011] Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Wärmedämmschicht sind in den Unteransprüchen aufgelistet.

[0012] Die erfindungsgemäße Wärmedämmschicht ist eine Mischung aus einem Matrixmaterial wie z.B. Zirkonoxid oder Aluminiumoxid und zumindest einem beigemischten Material, dass ein reduziertes Sinterpotential bei den Einsatztemperaturen der Wärmedämmschicht aufweist.
Solche beigemischten Materialien sind vorzugsweise Keramiken aus den Systemen der Pyrochlore, wie z.B. La₂Zr₂O₇, La₂Hf₂O₇ und Perowskite, wie z.B. CaZrO₃, LaAlO₃ sowie Spinelle, wie z.B. MgCr₂O₄, MgAl₂O₄, NiAl₂O₄ mit einem Volumenanteil von 10% und 50%.

[0013] Das Matrixmaterial besteht bspw. aus Zirkonoxid (ZrO₂) oder teilstabilisiertem Zirkonoxid (ZrO₂ und 7% - 8% Yttriumoxid(Y₂O₃) oder einer anderen Keramik.
Durch die Beimischung zu Zirkonoxid wird eine Selbsteinstellung der Dehnungstoleranz im Hochtemperaturbereich erreicht. Die Ausdehnungskoeffizienten der verwendeten Beimischung liegen bspw. aber nicht notwendigerweise ober- oder unterhalb des Ausdehnungskoeffizienten der Zirkonoxidschicht. Bei einer Versinterung des Zirkonoxidmatrix, also einer Schrumpfung der Matrix, reduziert sich lokal die Dehnungstoleranz im vorwiegend aus Zirkonoxid bestehenden Teilbereich. Zwischen den Teilchen aus den Beimischungen und dem Zirkonoxid werden während des Einsatzes bei hohen Temperaturen jedoch zusätzlich Risse und Hohlräume erzeugt, die die in der Zirkonoxidmatrix verlorene Dehnungstoleranz kompensieren, da die Beimischungen nicht versintern, also nicht oder nur in einem geringeren Maße schrumpfen, auch wenn der thermischen Ausdehnungskoeffizient gleich ist.

[0014] Der Einfluss des thermischen Ausdehnungskoeffizients der beigemischten Materialien ist wie folgt:

[0015] Dehnt sich das Matrixmaterial bei hohen Temperaturen stärker aus als die Beimischung, so entstehen kurzzeitig Druckspannungen, die jedoch relaxieren. Durch die einsetzende Versinterung werden wiederum Porositäten und Risse erzeugt, die eine zunehmende Porosität erzeugen.

[0016] Dehnt sich das Matrixmaterial bei hohen Temperaturen geringer aus als die Beimischung, so entstehen durch die Versinterung der Matrix zusätzlich Risse und Porositäten zwischen Matrix und Beimischung, die eine Kompensation der verlorenen Duktilität durch Rissbildung oder Porosität bewirken.

[0017] Die Mikroporosität/Mikrorisse in der Wärmedämmschicht wird also durch die Beimischung mit reduziertem Sinterpotential und/oder unterschiedliche Ausdehnungskoeffizienten von Matrix und Beimischung erhalten.

[0018] Durch eine gezielt gewählte Mischung kann die Mikrostruktur so eingestellt werden, dass eine für die Dehnungstoleranz des Wärmedämmschichtsystems notwendige Porosität und Reduzierung der Verhakung der Stängelstrukturen bei EBPVD-Schichten erzielt wird.

[0019] Außerdem kann die Sauerstoffleitfähigkeit reduziert werden, so dass auch eine Oxidation der MCrAlY-Schicht reduziert wird.

Ansprüche

1. Wärmedämmschicht,
insbesondere für den Einsatz in einer Gasturbine,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Wärmedämmschicht ein Matrixmaterial aufweist, dass dem Matrixmaterial Materialien beigemischt sind, die gegenüber dem Matrixmaterial bei den Einsatztemperaturen ein reduziertes Sinterpotential aufweisen.

2. Wärmedämmschicht nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
dem Matrixmaterial ein Pyrochlor beigemischt ist.

3. Wärmedämmschicht nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Pyrochlor die Zusammensetzung La₂ZrO₇ oder La₂Hf₂O₇ aufweist.

4. Wärmedämmschicht nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
dem Matrixmaterial ein Perowskit beigemischt ist.

5. Wärmedämmschicht nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Perowskit die Zusammensetzung CaZrO₃ oder LaAlO₃ aufweist.

6. Wärmedämmschicht nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
dem Matrixmaterial ein Spinell beigemischt ist.

7. Wärmedämmschicht nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Spinell die Zusammensetzung MgZr₂O₄ oder MgAl₂O₄ oder Ni-Al₂O₄ aufweist.

8. Wärmedämmschicht nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Beimischungen einen Volumenanteil von 10% - 50% aufweisen.

10. Wärmedämmschicht, insbesondere nach Anspruch 1, insbesondere für den Einsatz in einer Gasturbine,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Wärmedämmschicht ein Matrixmaterial aufweist,
dass dem Matrixmaterial Materialien beigemischt sind, die gegenüber dem Matrixmaterial bei den Einsatztemperaturen einen so unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweisen, dass Mikrorisse oder eine Mikroporosität gebildet werden.

11. Wärmedämmschicht nach Anspruch 1 oder 10,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Matrixmaterial vollstabilisiertes oder teilstabilisiertes Zirkonoxid ist.

12. Wärmedämmschicht nach Anspruch 1 oder 10,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Matrixmaterial Aluminiumoxid ist.

11. Bauteil mit einer Wärmedämmschicht nach den Ansprüchen 1 bis 12.