KERAMISCHE WÄRMEDÄMMSCHICHT

Beschreibung

Technisches Gebiet

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Werkstofftechnik. Sie betrifft eine keramische Wärmedämmschicht, welche zum Beschichten thermisch hochbelasteter Bauteile, wie z. B. Laufschaufeln einer Gasturbine, eingesetzt wird.

Stand der Technik

[0002] Um die Effizienz von Gasturbinen zu erhöhen werden diese bei sehr hohen Betriebstemperaturen gefahren. Die den heissen Gasen ausgesetzten Bauteile, z. B. Leit- und Laufschaufeln oder Brennkammerelemente, werden daher bekanntermassen auf ihrer Oberfläche mit Wärmedämmschichten (Thermal Barrier Coatings, TBC) versehen, um höhere Betriebstemperaturen zu erreichen bzw. die Lebensdauer der Bauteile zu verlängern. Diese Wärmedämmschichten bestehen üblicherweise aus einem keramischen Material, meist aus mit Yttriumoxid (Y₂O₃) stabilisiertem Zirkonoxid (ZrO₂), das auf die Oberfläche der oftmals aus Nickelbasis-Superlegierungen bestehenden Bauteile aufgebracht wird. Um die Haftung der keramischen Schicht auf dem Bauteil zu verbessern, werden zwischen der Wärmedämmschicht und der Oberfläche des Bauteiles oftmals Haftschichten aus MCrAIY vorgesehen, wobei M für Metall, und zwar für Ni, Fe, Co oder Kombinationen daraus, steht.

[0003] Es ist bekannter Stand der Technik, die TBC thermisch aufzuspritzen. Als mögliche Verfahren zum Aufbringen dieser Schichten sind Plasmaspritzen, wie z. B. Plasmaspritzen in Luft (Air Plasma Spraying APS), Niederdruck-Plasmaspritzen (Low Pressure Plasma Spraying LPPS), Vakuum-Plasmaspritzen (Vacuum Plasma Spraying VPS) oder Flammenspritzen, wie z. B. Hochgeschwindigkeitsflammenspritzen (High Velocity Oxygen Fuel HVOF), sowie physikalische Dampfabscheidung (Physical Vapour Deposition PVD), z. B. mittels Elektronenstrahl (Electron Beam Physical Vapour Deposition EP-PVD) bekannt (siehe z. B. US 6,352,788 B2, US 6,544,665 B2).

[0004] Mit Hilfe des EP-PVD-Verfahren werden säulenartige Schichten erzeugt, die eine dehnungstolerante Kornstruktur aufweisen, die fähig ist sich bei unterschiedlicher Beanspruchung auszudehnen oder zusammenzuziehen, so dass keine Spannungen erzeugt werden, welche beispielsweise zum Abplatzen der Schichten führen würden. Nachteilig sind bei diesem Verfahren aber die hohen Kosten.

[0005] Im Gegensatz dazu haben APS-gespritze TBC z. B. einen hohen Grad an Inhomogenitäten und Porosität, was vorteilhaft den Wärmetransfer durch die TBC reduziert. Während des Betriebes einer Gasturbine erhöht aber sich durch Strukturveränderungen, z. B. Kornwachstum, die thermische Leitfähigkeit, so dass Gegenmassnahmen getroffen werden müssen um einen ausreichenden Wärmeschutz zu erreichen. Eine dieser Gegenmassnahmen ist beispielsweise das Spritzen dickerer Schichten. Dies ist nachteilig einerseits sehr teuer, andererseits praktisch oftmals nicht machbar. Übliche TBC-Schichtdicken sind ca. 250-300 µm.

[0006] Gemäss US 6,544,665 B2 wird deshalb vorgeschlagen, z. B. Al₂O₃ (mindestens 0.1-3 Mol-%) in die Mikrostruktur einer TBC einzubringen. Das Al₂O₃ verbindet sich nicht mit der Matrix der keramischen Schicht, sondern bildet Ablagerungen und verhindert damit das Kornwachstum. Einen positiven Einfluss auf den Spannungsgradienten und damit auf die Senkung der Abplatzgefahr der TBC hat dies aber nicht.

[0007] Aus EP 0799 904 A1 sind gradierte TBC bekannt, in deren Mikrostruktur ebenfalls Oxide, vorzugsweise Al₂O₃, welche vorgängig mit metallischen Materialien, vorzugsweise legierten Nickel-Aluminiden gemischt und dann verdampft worden sind, eingebracht wurden. Dadurch wird eine verbesserte Korrosionsbeständigkeit unter thermischer Wechselbeanspruchung erreicht.

[0008] Weiterhin ist bekannt (siehe beispielsweise Z.L.Dong et al: "Microstructure formation in plasma-sprayed functuonally graded NiCoCrAIY/yttria-stabilized zirconia coatings", Surface and Coatings Technology 114 (1999), S. 181-186 und Y.-S. Song et al: "High-temperature properties of plasma-prayed coatings of YSZ/NiCrAIY on Inconel substrate", Materials Science and Engineering A 332 (2002), S. 129-133), thermisch stark belastete Gasturbinenkomponenten mit funktional gradierten Schichten zu versehen. Diese Schichten bestehen aus einer Ni- oder NiCo-Aluminidschicht, beispielsweise NiCrAlY, als Haftschicht, welche auf der Oberfläche des metallischen Substrates aufgebracht ist (= unterste Schichtlage), aus einer äusseren TBC-Schicht (= oberste Schichtlage), bestehend aus mit Yttriumoxid (Y₂O₃) stabilisiertem Zirkonoxid (ZrO₂), und aus mehreren Zwischenschichtlagen, bei denen jeweils das Haftschichtmaterial mit dem TBC-Material in unterschiedlichen Verhältnissen gemischt ist. Derartige Schichten führen zu einem verbesserten thermischen Ermüdungsverhalten der Bauteile und zu einer guten Hochtemperatur-Oxidationsbeständigkeit mit vertretbarer Haftfestigkeit.

Darstellung der Erfindung

[0009] Ziel der Erfindung ist es, die genannten Nachteile des Standes der Technik zu vermeiden. Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, zur Beschichtung einer Komponente aus einer Nickelbasis-Superlegierung eine verbesserte keramische Wärmedämmschicht auf der Grundlage von mit Yttriumoxid (Y₂O₃) stabilisiertem Zirkonoxid (ZrO₂) zu entwickeln, welche sich durch eine hohe Lebensdauer und hohe Oxidationsbeständigkeit und Duktilität auszeichnet.

[0010] Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass die Wärmedämmschicht auf der Grundlage von mit Yttriumoxid (Y₂O₃) stabilisiertem Zirkonoxid (ZrO₂) neben herstellungsbedingten Verunreinigungen noch mindestens eine hochtemperatur- und oxidationsbeständige intermetallische Verbindung aufweist, deren Volumenanteil in Abhängigkeit vom Abstand von der Oberfläche der Nickel-Basis-Superlegierung kontinuierlich oder stufenweise, vorzugsweise in exponentieller oder linearer Form, abnimmt, wobei die intermetallische Verbindung YRh und/oder Erlr ist.

[0011] Der Vorteil der Erfindung besteht darin, dass durch die allmähliche Veränderung der Zusammensetzung der Wärmedämmschicht in Abhängigkeit von der Dicke der Wärmedämmschicht ein weniger steiler Spannungsgradient erzeugt wird. Dies führt zu einer höheren Dehnungstoleranz der TBC-Schicht und damit einerseits zu einer erhöhten Lebensdauer bei thermischer Beanspruchung (kein Abplatzen) und anderseits zur Möglichkeit, dickere Wärmedämmschichten aufzubringen und somit die beschichteten Bauteile bei höheren Temperaturen einzusetzen. Die verwendeten intermetallischen Verbindungen YRh und Erlr sind oxidationsbeständig und besitzen in einem grossen Temperaturbereich eine ausreichende Duktilität. Ausserdem haben sie nur eine geringe Tendenz zur Interdiffusion und besitzen einen hohen Schmelzpunkt.

[0012] Verteilhaft ist, wenn der Volumenanteil der intermetallischen Verbindung in der Schicht an der Oberfläche der Komponente ca. 80 Vol.-% und an der freien Oberfläche ca. 5 % beträgt.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

[0013] In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt.

[0014] Es zeigen.

Fig. 1

eine perspektivische Darstellung einer Laufschaufel einer Gasturbine;

Fig. 2

einen Schnitt entlang der Linie II-II in Fig. 1 und

Fig. 3

einen schematischen Verlauf der Volumenanteile in der TBC in Abhängigkeit vom Abstand vom Grundsubstrat.

[0015] Es sind nur die für die Erfindung wesentlichen Merkmale dargestellt. Gleiche Elemente haben in unterschiedlichen Figuren gleiche Bezugszeichen.

Wege zur Ausführung der Erfindung

[0016] Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert.

[0017] Die Erfindung ist anwendbar für alle Komponenten, welche hohen Temperaturen und oxidativen/korrosiven Umwelteinflüssen ausgesetzt sind, wie z. B. Schaufeln, Wärmestausegmente oder Teile der Brennkammern von Gasturbinen.

[0018] Fig. 1 zeigt in perspektivischer Darstellung als ein Beispiel derartiger Komponenten 1 eine Laufschaufel einer Gasturbine. Die Laufschaufel 1 besteht aus einem Schaufelfuss 2, einer Plattform 3 und einem Schaufelblatt 4, in welchem Kühlluftkanäle vorhanden sind, deren Öffnungen in Fig. 1 mit 5 bezeichnet sind. Die Laufschaufel 1 wird mit ihrem Schaufelfuss 2 in Umfangsnuten im nicht dargestellten Rotor der Gasturbine verankert. Während des Betriebes der Turbine wird das Schaufelblatt 4 mit heissen Verbrennungsgasen beaufschlagt, so dass die Oberfläche 7 des Schaufelblattes 4 sowohl den heissen Verbrennungsgasen als auch Angriffen durch Oxidation, Korrosion und Erosion ausgesetzt ist. Zum Schutz vor Oxidation/Korrosion sowie zu hoher thermischer Belastung ist das Schaufelblatt 4 daher auf seiner äusseren Oberfläche 7 mit einer metallischen Haftschicht 6 (in Fig. 1 nicht sichtbar) versehen, auf der eine keramische Wärmedämmschicht 8 aufgespritzt ist.

[0019] In der Schnittdarstellung gemäss Fig. 2 ist das Beschichtungssystem gut zu erkennen. Der Grundwerkstoff der Laufschaufel 1 der Gasturbine besteht beispielsweise aus einer gerichtet erstarrten Nickel-Basissuperlegierung CM 247 mit folgender chemischer Zusammensetzung (Angaben in Gew.-%): 0.07 C, 8.1 Cr, 9.2 Cr, 0.5 Mo, 9.5 W, 3.2 Ta, 5.6 Al, 0.7 Ti, 0.015 B, 0.015 Zr, 1.4 Hf, Rest Ni.

[0020] In einem anderen beispiel kann die Turbinenschaufel vorzugsweise aus einer Einkristalllegierung, beispielsweise mit folgender chemischer Zusammensetzung bestehen (Angaben in Gew.-%): 7.7-8.3 Cr, 5.0-5.25 Co, 2.0-2.1 Mo, 7.8-8.3 W, 5.8-6.1 Ta, 4.9-5.1 Al, 1.3-1.4 Ti, 0.11-0.15 Si, 0.11-0.15 Hf, 200-750 ppm C, 50-400 ppm B, Rest Nickel und herstellungsbedingte Verunreinigungen.

[0021] Diese Grundwerkstoffe (Substrate) sind auf ihrer äusseren Oberfläche 7 mit einer metallischen Haftschicht 6, vorzugsweise des Typs MCrAIY versehen, wobei M für Metall steht (Ni, Co, Fe oder deren Kombinationen). Im vorliegenden Falle wurde NiCrAlY für die Haftschicht 6 verwendet. Die Alreichen Haftschichten dieses Typs bilden eine Al₂O₃-Zunderschicht 9, die sich durch thermische Oxidation der Haftschicht 6 bildet. Diese Al₂O₃-Schicht 9 bindet chemisch die keramische Wärmedämmschicht an die Haftschicht 6 und das Substrat (Nickel-Basissuperlegierung).

[0022] Die TBC 8 besteht aus mit Yttriumoxid (Y₂O₃) stabilisiertem Zirkonoxid (ZrO₂), wobei etwa 7 % Yttriumoxid vorhanden ist. Die Wärmedämmschicht 8 wird mittels bekannter thermischer Spritzverfahren beispielsweise mittels APS aufgespritzt. Dazu wird das keramische Pulver zunächst mit Pulver aus mindestens einer intermetallischen Verbindung 12, im vorliegenden Beispiel aus YRh, gemischt und anschliessend diese Pulvermischung auf die Haftschicht 6 thermisch aufgespritzt. Im ersten Verfahrensschritt ist der Volumenanteil der intermetallischen Verbindung 12 sehr hoch, hier 80 Vol.-%. Die beiden Verfahrensschritte werden nun mehrfach wiederholt werden, wobei die Pulvermischung jeweils einen geringeren Volumenanteil an der intermetallischen Verbindung YRh aufweist als in den vorangegangenen Verfahrensschritten und die Pulvermischung jeweils auf die bereits im vorangegangenen Verfahrensschritt aufgespritzte Schicht aufgespritzt wird, so dass letztlich eine Wärmedämmschicht 8 mit einem über die Schichtdicke abnehmenden Volumenanteil an intermetallischer Verbindung 12 gebildet wird. Letztlich sind an der Oberfläche der fertig beschichteten Komponente 1 nur noch ca. 5 Vol.-% YRh vorhanden.

[0023] Dies ist in Fig. 3 dargestellt, wo der schematische Verlauf der Volumenanteile an intermetallischer Verbindungen 12 bzw. an mit Yttriumoxid (Y₂O₃) stabilisiertem Zirkonoxid (ZrO₂) in der Wärmedämmschicht 8 in Abhängigkeit vom Abstand von der Haftschicht 6, d.h. von der Dicke der Wärmedämmschicht 8 gezeigt wird. Der Volumenanteil an intermetallischer Verbindung 12 nimmt hier kontinuierlich exponentiell ab. In anderen Beispielen kann er auch linear oder stufenweise abnehmend sein.

[0024] Es ist bekannt, dass die durch APS erzeugten keramischen Wärmedämmschichten aus einzelnen Körner bestehen und eine relativ grosse Porosität aufweisen. In Fig. 2 sind diese Körner mit dem Bezugszeichen 10 und die Poren mit dem Bezugszeichen 11 bezeichnet. Bei der erfindungsgemässen Wärmedämmschicht 8 lagert sich die intermetallische Verbindung 12, hier YRh, bevorzugt in diesen Poren 11 ab. Die intermetallischen Verbindungen, wie beispielsweise YRh oder Erlr, sind oxidationsbeständig und besitzen in einem grossen Temperaturbereich eine ausreichende Duktilität. Ausserdem haben sie nur eine geringe Tendenz zur Interdiffusion und besitzen einen hohen Schmelzpunkt. Durch die allmähliche Veränderung der Zusammensetzung der Wärmedämmschicht in Abhängigkeit von der Dicke der Wärmedämmschicht wird mit Vorteil ein weniger steiler Spannungsgradient in der Schicht erzeugt. Dies führt zu einer höheren Dehnungstoleranz der Wärmedämmschicht und damit einerseits zu einer erhöhten Lebensdauer bei thermischer Beanspruchung (kein Abplatzen) und anderseits zur Möglichkeit, dickere Wärmedämmschichten aufzubringen und somit die beschichteten Bauteile bei höheren Temperaturen einzusetzen.

[0025] Während bei konventionellen mit Yttriumoxid stabilisierten Zirkonoxid-Wärmedämmschichten Schichtdicken von ca. 250-300 µm mittels APS gespritzt werden konnten, sind bei der vorliegenden Erfindung Schichtdicken bis ca. 2 mm problemlos machbar.

[0026] Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf das beschriebene Beispiel beschränkt. Neben dem bereits erwähnten YRh ist auch die folgende intermetallische Verbindung geeignet, die erfindungsgemässen Vorteile zu erreichen: Erlr , da diese intermetallischen Verbindungen oxidationsbeständig sind, in allen Temperaturbereichen eine gute Duktilität aufweisen, sowie eine geringe Tendenz zur Interdiffusion und hohe Schmelzpunkte haben. Infolge der allmählichen Abstufung des Volumenanteils an intermetallischer Verbindung wird ein weniger steiler Spannungsgradient erreicht, so dass die Wärmedämmschicht wesentlich dehnungstoleranter ist und damit eine längere Lebensdauer bei thermischer Beanspruchung aufweist.

[0027] Die erfindungsgemässen Wärmedämmschichten können auch auf andere thermisch hochbelastete Gasturbinenkomponenten, wie beispielsweise Wärmeschutzschilder oder Brennkammerliner, aufgebracht werden, wobei der Grundwerkstoff der Komponente z. B. Hastalloy oder Haynes 230 sein kann und die Haftschicht z. B. eine NiCoCrAIY-Schicht sein kann.

[0028] Schliesslich sind zum thermischen Spritzen der TBC gemäss vorliegender Erfindung auch andere Spritzverfahren als APS geeignet, z. B. EB-PVD. Die damit erzeugten Wärmedämmschichten sind stängelförmig.

[0029] Selbstverständlich ist es auch möglich, die TBC direkt auf die Oberfläche der Komponente zu spritzen, d.h. ohne eine zusätzliche Haftschicht.

Bezugszeichenliste

[0030] 

1

Komponente, z. B. Laufschaufel

2

Schaufelfuss

3

Plattform

4

Schaufelblatt

5

Öffnungen der Kühlluftkanäle

6

Haftschicht

7

Oberfläche der Komponente

8

Wärmedämmschicht, TBC

9

Al₂O₃-Schicht

10

Korn

11

Pore

12

Intermetallische Verbindung

Ansprüche

1. Keramische Wärmedämmschicht (8) zur Beschichtung der Oberfläche (7) einer aus einer Nickel-Basis-Superlegierung und einer wahlweise darauf aufgebrachten metallischen Haftschicht (6) bestehenden Komponente (1), wobei die Wärmedämmschicht (8) vorwiegend aus mit Yttriumoxid (Y₂O₃) stabilisiertem Zirkonoxid (ZrO₂) und herstellungsbedingten Verunreinigungen besteht und die Wärmedämmschicht (8) mindestens eine hochtemperatur- und oxidationsbeständige intermetallische Verbindung aufweist, deren Volumenanteil mit zunehmenden Abstand von der Oberfläche (7) der Komponente (1)/der Haftschicht (6) kontinuierlich oder stufenweise abnimmt, dadurch gekennzeichnet, dass die intermetallische Verbindung YRh und/oder Erlr ist.

2. Wärmedämmschicht (8) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Volumenanteil der intermetallischen Verbindung mit zunehmenden Abstand von der Oberfläche (7) der Komponente (1)/der Haftschicht (6) exponentiell abnimmt.

3. Wärmedämmschicht (8) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Volumenanteil der intermetallischen Verbindung mit zunehmenden Abstand von der Oberfläche (7) der Komponente (1)/der Haftschicht (6) linear abnimmt.

4. Wärmedämmschicht (8) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Volumenanteil der intermetallischen Verbindung in der Schicht an der Oberfläche (7) der Komponente (1) ca. 80 Vol.% und an der freien Oberfläche ca. 5 % beträgt.

5. Gasturbinenkomponente, dadurch gekennzeichnet, dass diese mit einer Wärmedämmschicht (8) nach einem der Ansprüche 1-4 beschichtet ist.

Claims

1. Ceramic thermal barrier coating (8) for coating the surface (7) of a component (1) consisting of a nickel-based superalloy and an adhesive coating optionally applied thereon (6), the thermal barrier coating (8) preferably consisting of zirconium oxide (ZrO₂) stabilized by yttrium oxide (Y₂O₃) and production-related impurities, and the thermal barrier coating (8) comprises at least one high-temperature and oxidation resistant intermetallic compound, the volume fraction of which decreases continuously or in stages as the distance from the surface (7) of the component (1)/the adhesive coating (6) increases, characterized in that the intermetallic compound is YRh and/or ErIr.

2. Thermal barrier coating (8) as claimed in Claim 1, characterized in that the volume fraction of the intermetallic compound decreases exponentially as the distance from the surface (7) of the component (1)/the adhesive coating (6) increases.

3. Thermal barrier coating (8) as claimed in Claim 1, characterized in that the volume fraction of the intermetallic compound decreases linearly as the distance from the surface (7) of the component (1)/the adhesive coating (6) increases.

4. Thermal barrier coating (8) as claimed in Claim 1, characterized in that the volume fraction of the intermetallic compound in the coating is approximately 80% on the surface (7) of the component (1) and approximately 5% on the free surface.

5. Gas turbine component, characterized in that it is coated with a thermal barrier coating (8) as claimed in one of Claims 1-4.

Revendications

1. Couche thermiquement isolante (8) en céramique destinée à revêtir la surface (7) d'un composant (1) constitué d'un superalliage à base de nickel sur lequel une couche métallique d'adhérence (6) est appliquée sélectivement,
la couche d'isolation thermique (8) étant principalement constituée d'oxyde de zirconium (ZrO₂) stabilisé à l'oxyde d'yttrium (Y₂O₃) et des impuretés découlant de sa fabrication,
la couche d'isolation thermique (8) présentant au moins un composé intermétallique qui résiste aux hautes températures et à l'oxydation et dont la teneur volumique diminue progressivement ou par gradins à une distance croissante de la surface (7) du composant (1) et/ou de la couche d'adhérence (6),
caractérisée en ce que
le composé intermétallique est YRh et/ou ErIr.

2. Couche d'isolation thermique (8) selon la revendication 1, caractérisée en ce que la teneur volumique en composé intermétallique diminue de manière exponentielle à distance croissante de la surface (7) du composant (1) et/ou de la couche d'adhérence (6).

3. Couche d'isolation thermique (8) selon la revendication 1, caractérisée en ce que la teneur volumique en composé intermétallique diminue linéairement à distance croissante de la surface (7) du composant (1) et/ou de la couche d'adhérence (6).

4. Couche d'isolation thermique (8) selon la revendication 1, caractérisée en ce que la teneur volumique en composant intermétallique est d'environ 80 % en volume dans la couche située à la surface (7) du composant (1) et d'environ 5 % sur la surface libre.

5. Composant de turbine à gaz, caractérisé en ce qu'il est revêtu par une couche d'isolation thermique (8) selon l'une des revendications 1 à 4.

Zeichnung